What are Essential Problems in Reproducibility of Photocatalysis in Surface Science?

Abstract

There is often the lack of reproducibility in photocatalysis, the reason for which is partly the fact that the photocatalysis is not simple photo-induced catalysis on the surface, but rather the result of the total performance of the device-like system that involves bulk diffusion of the photo-excited minority carrier and its charge transfer across the interface. Therefore very small amount of unexpected defects and impurities in a photocatalyst, which could hardly be detected by the conventional surface science analysis techniques, would essentially make it difficult to reproduce its semiconductor properties and hence the resultant photocatalysis. In this review, a new approach based on a recent progress in oxide epitaxy to precision structural control of photocatalysts is proposed and the possible effects of surface structures, defects and impurities on the photocatalysis will be discussed from the viewpoints of semiconductor physics as well as surface science, showing some of our experimental demonstrations. 1．は じ め に 「光触媒作用はなぜ再現しないことが多いのか？」 ，何 やら最近の新書のタイトルみたいではある。まず始めに 断っておくと，本研究紹介で，別に光触媒研究がだめ だ，と言っているつもりはまったくない。光触媒作用の 再現性について，光触媒分野では必ずと言っていいほど 引 用 さ れ て い る Chem. Rev. を 書 か れ た あ の Michael Hoffmann でさえも最近の J. Phys. Chem. で可視光応答の 光触媒の再現性について，次のように述べている 1) 。 "However, there are conflicting results on the effects of doping on the visible-light photoactivity of TiO2. The wide variability in reported impact on visible-light activity may be due to the specific preparation methods, the actual photolysis and experimental conditions used to quantify activity, and the broad array of chemical reactions used to verify photoactivity over a broad range of wavelengths at λ＞400 nm." 一方，最近の光触媒開発の動向について見てみると， 光触媒の高効率化への最近のアプローチとして，主に二 つの方向性がある。一つは，利用できる光の波長領域を 拡張する可視光化である。Cr, Sb : TiO2 2) や非二酸化チタ ン系の GaN-ZnO 3) などの新規光触媒の開発を始めとし て，最近では Z スキーム 4) と呼ばれる複数の光触媒を組 み合わせた新しい機構も提案されている。もう一つは， 吸収した光で励起された電子・正孔による化学反応の促 進である。助触媒と呼ばれる酸化・還元サイトのデザイ ンはその一例で，従来の二酸化チタンの Pt 担持を始め として，新規光触媒には，必ずと言って良いほど Ru や NiO 5) ，RhCrOx 3) などの新しい助触媒が開発されている。 このように，後者では特に顕著に見て取れるが，光触媒 は複雑化の一途をたどり，一種の半導体デバイスとして のトータルパフォーマンスが要求されていることがわか † 第 回表面科学学術講演会（ 年 月 日-日）にて発表