太陽光を利用した水の光触媒分解による水素製造の革新(China Achieves Breakthrough in Solar-powered Water Splitting for Hydrogen Production)

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2025-04-09 中国科学院(CAS)

中国科学院金属研究所の劉剛教授率いる研究チームは、スカンジウム(Sc)をドープしたルチル型二酸化チタン(TiO₂)を開発し、太陽光を利用した水分解による水素生成の効率を大幅に向上させました。この新材料は、酸素空孔による電子の捕獲を防ぎ、特定の結晶面を形成することで、電子と正孔の再結合を抑制し、電荷分離効率を高めています。その結果、紫外光の利用率は30%を超え、模擬太陽光下での水素生成効率は従来のTiO₂材料の15倍に達しました。この技術は、1平方メートルのパネルで1日あたり約10リットルの水素を生成可能であり、将来的な産業応用が期待されています。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%を達成した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

太陽光を利用した水の光触媒分解による水素製造の革新(China Achieves Breakthrough in Solar-powered Water Splitting for Hydrogen Production)

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.

0402電気応用
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