希土類元素強化TiO2による高効率光触媒水分解(Rare Earth Element-Enhanced TiO2 for Photocatalytic Water Splitting)

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2025-04-08 中国科学院(CAS)

中国科学院金属研究所の劉剛教授らの研究チームが、スカンジウム(Sc)をドープしたルチル型二酸化チタン(TiO₂)光触媒を開発し、水の完全光分解において顕著な効率向上を達成しました。この新材料は、30.3%の見かけの量子収率(AQY)と0.34%の太陽光から水素への変換効率(STH)を示し、常温常圧下でのTiO₂ベース光触媒として新たな基準を確立しました。研究チームは、Ti³⁺欠陥を抑制するSc³⁺ドープと、(101)面と(110)面の結晶面接合による内蔵電場の生成という二重戦略を採用し、電子と正孔の分離を促進しました。この成果は、中国が豊富に保有するチタンとスカンジウム資源を活用し、スケーラブルでコスト効率の高い水素製造への道を開く可能性があります。研究成果は『Journal of the American Chemical Society』に掲載されました。

<関連情報>

見かけの量子収率30%の光触媒的総合水分解のためのScドープ酸化ルチルTiO2における自発的励起子解離 Spontaneous Exciton Dissociation in Sc-Doped Rutile TiO2 for Photocatalytic Overall Water Splitting with an Apparent Quantum Yield of 30%

Fei Qin,Yuyang Kang,Xingyuan San,Yun-Long Tang,Jianjun Li,Xin Zhang,Kangyu Zhang,and Gang Liu
Journal of the American Chemical Society  Published: April 7, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c01936

Abstract

希土類元素強化TiO2による高効率光触媒水分解(Rare Earth Element-Enhanced TiO2 for Photocatalytic Water Splitting)

Achieving high-efficiency photocatalytic overall water splitting with earth-abundant materials like TiO2 under ambient conditions is a compelling renewable energy solution. However, this remains challenging due to both the presence of rich deep-level defects and lack of strong driving force in particulate photocatalysts, limiting the separation of photogenerated charges. Here, we developed a scandium (Sc)-doped rutile TiO2 with fully passivated detrimental Ti3+ defects and very strong built-in electric field arising from engineered (101)/(110) facet junctions. The Sc3+ doping enables a much lower exciton binding energy of 8.2 meV (28.6 meV for undoping) than room-temperature thermal fluctuation energy, indicating spontaneous exciton dissociation. These features enable the photogenerated electrons and holes to selectively transfer to the (110) and (101) facets, respectively. The resulting Sc-doped TiO2 with cocatalyst delivers photocatalytic overall water splitting with an apparent quantum yield of 30.3% at 360 nm and a solar-to-hydrogen conversion efficiency of 0.34%, representing the highest values reported for TiO2-based photocatalysts under ambient conditions.

0501セラミックス及び無機化学製品
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