光をつかった水素製造に酸化鉄を利用 ―チタンドープによる光触媒活性のメカニズムを解明―

2026-08-24 東北大学

東北大学などの研究グループは、資源が豊富な酸化鉄(Fe₂O₃)を水分解光触媒として利用し、太陽光から水素を製造するための材料設計指針を明らかにした。純粋な酸化鉄は光触媒としてほとんど活性を示さないが、約1%のチタンをドーピングすると電気抵抗が低下し、n型半導体特性が向上することで、光によって生じた電子と正孔の分離が促進され、水分解活性が発現することを確認した。研究では、チタンドープ酸化鉄を酸素生成側の光触媒として、ロジウムドープチタン酸ストロンチウムと組み合わせたZスキーム型光触媒を構築し、水からの水素生成を実現した。貴金属や希少資源への依存を抑えられる酸化鉄の人工光合成利用につながる成果であり、太陽光を利用した持続可能な水素製造技術の高機能化が期待される。

光をつかった水素製造に酸化鉄を利用 ―チタンドープによる光触媒活性のメカニズムを解明―
図1. チタンドーピング量を変えた酸化鉄とロジウムドープチタン酸ストロンチウムを組み合わせたZスキーム型光触媒の水分解に対する活性

<関連情報>

Fe2O3を酸素発生光触媒として利用したZスキーム型水分解 Z-Scheme Water Splitting Utilizing Fe2O3 as an Oxygen-Evolving Photocatalyst

Tomoomi Miyashita;Shunya Yoshino;Makoto Kobayashi;Hideki Kato
ACS Applied Energy Materials  Published:August 07, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsaem.6c01486

Abstract

Fe2O3 is a widely studied material as a photoanode and O2 evolution photocatalyst responsive to visible light. Although Z-scheme systems employing Fe2O3-based photocatalysts have been reported, the kind of combined H2-evolving photocatalyst is limited to C3N4. In this study, we demonstrated water splitting by the Z-scheme systems utilizing Ti-doped Fe2O3 (Fe2O3:Ti) and Rh-doped SrTiO3 (SrTiO3:Rh). Z-scheme water splitting (Z-WS) was achieved by the interparticle electron transfer from Fe2O3:Ti to SrTiO3:Rh. Ti doping was essential to achieve Z-WS. Doping Ti into Fe2O3 increased the carrier density, causing improvement of electronic conductivity and enhancement of charge separation through band bending. These factors remarkably improved the photoelectrochemical property, resulting in achievement of Z-WS. The Ru/SrTiO3:Rh-Fe2O3:Ti system was active for water splitting even without cocatalyst modification of Fe2O3:Ti. The activity was improved by the IrOx deposition, while modification with MnOx, FeOx, CoOx, and RhOx decreased activity. The impregnation method involving heat treatment at 500–600 °C and the adsorption method followed by heat treatment at 500 °C were found to be an appropriate condition for IrOx deposition through systematic characterization. The external quantum yield of the present system was determined to be 0.23% at 430 nm.

0501セラミックス及び無機化学製品
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