日本化学会

プラズモニック光触媒による水の酸化反応

Water Oxidation Induced by Plasmonic Photocatalyst

バルクの金（Au）は金色に輝くが，ナノ粒子化すると表面プラズモン共鳴（SPR）により可視光を強く吸収し赤紫色を呈する。SPR励起に伴うAu粒子から酸化チタン（TiO₂）の伝導帯への電子注入が見いだされて以来，Au/TiO₂は安定な可視光応答型光触媒として注目を集めている。特に，人工光合成実現の要である「水の酸化反応」を可視光で駆動させることは重要な課題である。筆者らは緑色光照射下でAu/TiO₂を用いた水の酸化による酸素生成を見いだし，これがSPR誘起反応であることを実証した^1）。しかし，一般的にSPRによって生成したホットキャリアの寿命は短く，反応効率の向上が課題であった。そこで筆者らは，正孔の有効利用に着目し，Au粒子表面への「正孔移動層」の導入を行った。Au粒子上に光析出法を用いて選択的に水酸化クロム層を構築する，あるいは酸素雰囲気下における熱処理によりAu表面に酸化層（AuO_x）を形成させることで，これらが正孔の移動媒体として機能することを見いだした。この正孔移動層が電荷再結合を抑制し，水の酸化活性を向上させることを明らかにしている^2）。反応サイトである界面の重要性は他グループによっても示されている。M. Okazakiらは，Au粒子のエッジ部分に選択的にコバルト助触媒（CoO_x）を担持させることで，水の酸化活性が飛躍的に向上することを報告している^3）。このように，SPR励起により生成した正孔の寿命制御と反応場である界面の精密設計が，プラズモニック水分解の高効率化の鍵となる。今後のさらなる展開が期待される。

  1） A. Tanaka et al., ACS Catal. 2013, 3, 1886.
  2） a） E. Fudo et al., Sustainable Energy Fuels 2021, 5, 3303;
        b） E. Fudo et al., ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 8982.
  3）M. Okazaki et al., ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 5142.

田中淳皓 　近畿大学理工学部