光触媒界面水の構造と反応性を分子レベルで解明！ ―界面水の状態を設計・制御し触媒性能を高める新たな指針―

2026-09-11 分子科学研究所

分子科学研究所の研究グループは、酸化チタン（TiO₂）光触媒表面に存在する「界面水」の分子構造と反応性の関係を分子レベルで明らかにした。赤外吸収分光とリアルタイム質量分析を組み合わせ、水蒸気圧を精密に制御して吸着する水分子の量を単分子層レベルで変化させ、光触媒による水素生成反応を比較した。その結果、従来有利と考えられていた水とTiO₂の相互作用が強い親水的な表面よりも、相互作用が弱く、柔軟な水素結合ネットワークを形成する界面水の方が高い反応性を示すことが判明した。界面水の柔軟な分子運動がO-H結合の開裂やプロトン生成を促進すると考えられる。この成果は、触媒表面だけでなく界面水そのものの構造・運動性を設計する「界面水デザイン・エンジニアリング」という新たな光触媒設計指針を示すもので、水素製造などの高効率なエネルギー変換技術への応用が期待される。

図1：アナターゼ型TiO₂光触媒における界面水の構造と反応性の関係。

＜関連情報＞

TiO2界面における光触媒水素発生における界面水構造と反応性の橋渡し Bridging Interfacial Water Structure and Reactivity in Photocatalytic Hydrogen Evolution at TiO2 Interfaces

Zhongqiu Lin;Hikaru Saito;Hiromasa Sato;Toshiki Sugimoto
The Journal of Physical Chemistry Letters Published:September 05, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6c01721

Abstract

Understanding how interfacial water governs photocatalytic hydrogen evolution is a central challenge in the development of high-performance photocatalysts for a sustainable society. Although hydrophilic interfaces have long been regarded as favorable due to their strong water–catalyst interactions, the molecular-level relationship between the interfacial water structure and hydrogen-evolution reactivity remains unclear. Here, we establish a direct structure–reactivity correlation at the water–TiO₂ interface using a series of anatase TiO₂ nanoparticle photocatalysts. By combining real-time mass spectrometry with infrared spectroscopy under precisely controlled hydration conditions ranging from sub-monolayer to multilayer regimes, we quantitatively evaluate intrinsic hydrogen-evolution activity per water layer and per unit surface area. We show that stronger water–TiO₂ interactions, characterized by higher adsorption energies and increased dissociative adsorption, correlate with lower H₂ formation rates. Such strongly adsorbed water species form rigid hydrogen-bond networks that suppress interfacial water reactivity. In contrast, weaker water–TiO₂ interactions accompanied by soft and flexible hydrogen-bond networks promote photocatalytic H₂ evolution more efficiently. These findings demonstrate that optimal photocatalytic performance arises not from maximizing hydrophilicity but from tuning interfaces toward more hydrophobic environments that support dynamically flexible hydrogen-bond networks. This study provides a molecular-level framework for rational interface design in photocatalytic hydrogen evolution.