【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2023.10.12】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22UT0023
利用課題名 / Title
光触媒の分析・解析
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials
キーワード / Keywords
光触媒,水の完全分解,酸硫化物,透過電子顕微鏡,格子像観察,大面積展開,電子顕微鏡/Electron microscopy,水素貯蔵/ Hydrogen storage,エネルギー貯蔵/ Energy storage,ナノ多孔体/ Nanoporuous material,ナノ粒子/ Nanoparticles,電子顕微鏡/Electron microscopy,イオンミリング/Ion milling,エネルギー貯蔵/ Energy storage,ナノ粒子/ Nanoparticles,電子顕微鏡/Electron microscopy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
山田 太郎
所属名 / Affiliation
東京大学
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
久富隆史,中林麻美子,堂免一成
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
寺西 亮佑、福川 昌宏、近藤 尭之、押川浩之、木村鮎美、森田真理、中村光弘、柴田直哉
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-005：原子分解能元素マッピング構造解析装置
UT-006：ハイスループット電子顕微鏡
UT-009：ハイコントラスト透過型電子顕微鏡
UT-151：集束イオン／電子ビーム 複合ビーム加工観察装置
UT-154：イオンスライサー
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
粉末光触媒を用いた太陽光水分解反応は、ソーラー水素を大規模かつ安価に製造する技術として研究されている。光触媒を構成する材料は半導体であるため、良好な電荷移動特性を発揮させるには欠陥の少ない材料を合成する必要がある。そのためには、光触媒の構造を原子レベルで観察し、欠陥の構造を明らかにする必要がある。本研究課題では合成法を固相法からフラックス法に変更した可視光応答酸硫化物Y2Ti2O5S2の内部構造をTEM,STEMなどを用いて詳細に解析した。
実験 / Experimental
本プロジェクトで開発してきた可視光利用可能な水分解酸硫化物光触媒Y2Ti2O5S2(以下YTOS)を従来の固相法より、合成法をフラックス法に変えた場合、より薄い100 nm弱厚程度の平板状の粒子が得られた。このYTOSは水素生成活性が高いが、水の全分解活性が低い。その理由を明らかとする為、電子顕微鏡構造解析を試みた。光触媒フラックス合成Y2Ti2O5S2粉末試料は樹脂包埋してイオン研磨により薄片化する手法を用い、TEMサンプルに加工した。イオン研磨で用いた装置はイオンスライサー(EM-09100IS ; JEOL)であり、最大加速電圧は6.5 kV, 最小加速電圧は2.0 kVで、各作製工程により加速電圧やイオン照射角度を変更調節した。電子顕微鏡(TEM, JEM-2010HC, JEOL)を用い、回折図形を取得しYTOSの結晶性を確認した。さらに、結晶内の転位の有無を確認する為、同JEM-2010HCでウィークビーム法暗視野像を取得した。ウィークビーム法とは正確な二波条件から僅かに回折条件をずらすことによって、転位観察の見かけの分解能を向上させる手法である。得られた像の転位部分の構造と組成をより詳細に調べるために収差補正付原子分解能STEM (Cs-corrected thermal FE-STEM, JEM-ARM200F, JEOL)を用いた。使用したTEMとSTEMの加速電圧は200 kVである。
結果と考察 / Results and Discussion
YTOS粒子の明視野TEM像を図1aに示す。電子線回折パターンからは、YTOS試料は単結晶であることがわかった。同じ粒子の暗視野TEM像をウィークビーム法で観察したところ、粒子中心部に面欠陥の存在を示す線状の明るいコントラストが見られた（図1b）。この面欠陥の詳細な原子配列と組成を調べるため、原子分解能STEM観察を行ったところ、図2に示す環状暗視野STEM像には、層状構造を反映して直線状のコントラストが見られた。図3にはSTEM-EDSマッピング像を示す。面欠陥部では、MgとSのシグナルが強い一方で、Ti、O、Yのシグナルが弱くなっている様子が観察された。したがって、面欠陥はMgとSの原子層から構成されていることがわかった。この面欠陥が光触媒の活性に影響を与えている可能性が示唆される。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 Bright field TEM image (a) and Dark-field TEM image taken by the weak-beam method (b) of a Y2Ti2O5S2 particle.
Fig. 2 ADF images of a Y2Ti2O5S2 particle
Fig. 3 STEM-EDS elemental maps for a planner defect of Y2Ti2O5S2 particle
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Mamiko Nakabayashi, Characterization of Planar Defect in Layered Perovskite Photocatalyst Y2Ti2O5S2 by Electron Microscopy and First-Principles Calculations, The Journal of Physical Chemistry C, 127, 7887-7893(2023).
DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c00820
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Ronghua Li, Band-tail states meditated visible-light-driven overall water splitting in Y2Ti2O5S2 photocatalyst, Journal of Materials Chemistry A, 10, 24247-24257(2022).
DOI: 10.1039/d2ta06315h
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Jie Fu, Interface engineering of Ta3N5 thin film photoanode for highly efficient photoelectrochemical water splitting, Nature Communications, 13, (2022).
DOI: 10.1038/s41467-022-28415-4
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Takuya Suguro, A hygroscopic nano-membrane coating achieves efficient vapor-fed photocatalytic water splitting, Nature Communications, 13, (2022).
DOI: 10.1038/s41467-022-33439-x
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Yequan Xiao, Decoupling light absorption and carrier transport via heterogeneous doping in Ta3N5 thin film photoanode, Nature Communications, 13, (2022).
DOI: 10.1038/s41467-022-35538-1
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件