可視光応答型光触媒である直方晶四酸化三スズの高活性化~マテリアルズインフォマティクスを活用した効率的な材料探索~

2026-02-10 東京科学大学

東京科学大学を中心とする研究グループは、マテリアルズインフォマティクス(MI)を活用し、可視光応答型光触媒である直方晶四酸化三スズ(o-Sn₃O₄)の高活性化に成功した。機械学習原子間ポテンシャル(MLIP)を用いて、o-Sn₃O₄に安定にドープ可能な異種イオンを理論的に予測し、実験的検証を効率化した結果、アルミニウム(Al)イオンが特に有効であることを見いだした。Alドープo-Sn₃O₄は、可視光照射下で水素生成反応において顕著に高い光触媒活性を示した。活性向上はバンドギャップ変化ではなく、結晶性や微細組織の改善、電荷移動効率の向上に起因することが示唆された。本研究は、AIと計算科学を融合した新材料探索手法の有効性を実証するとともに、人工光合成や環境浄化に資する高性能可視光光触媒の創出につながる成果である。

可視光応答型光触媒である直方晶四酸化三スズの高活性化~マテリアルズインフォマティクスを活用した効率的な材料探索~
図1. (a)機械学習原子間ポテンシャル[用語5](MLIP)による各種イオンをドープしたo‑Sn3O4の生成自由エネルギー[用語6]の計算結果(生成自由エネルギーはドープしないo-Sn3O4の値を基準(ゼロ)とした)。
(b)、(c)はドープしていないo-Sn3O4とアルミニウムイオンをドープしたo-Sn3O4の走査型電子顕微鏡像。
(d)可視光照射下における水素生成量。

<関連情報>

可視光活性光触媒のための金属イオンドープ斜方晶系Sn 3O4の計算および実験による実現 Computational and Experimental Realization of Metal-Ion-Doped Orthorhombic Sn3O4 for Visible-Light-Active Photocatalysis

Sho Uchida,Yuta Sekine,Yohei Cho,Akira Yamaguchi,Toyokazu Tanabe,Kenji Yamaguchi,and Masahiro Miyauchi
Journal of the American Chemical Society  Published: February 3, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c15962

Abstract

The orthorhombic tri-tin tetraoxide (Sn3O4) is a newly discovered polymorph and has attracted great attention due to its visible-light absorption capability. To improve performance and broaden the material space based on orthorhombic Sn3O4, impurity doping represents a promising approach. In this study, we predict stable cation-doped orthorhombic Sn3O4 crystals using machine learning interatomic potential (MLIP) calculations. Several candidate cations such as boron (B), aluminum (Al), strontium (Sr), and yttrium (Y) have been predicted as stable dopants in orthorhombic Sn3O4 with low Gibbs energies of formation. Based on this prediction, we synthesized cation-doped Sn3O4 powder samples using a hydrothermal method. We confirmed that the cations predicted to be stable by the MLIP could be synthesized into the orthorhombic powder phase. Among the samples, the Al-doped Sn3O4 powder exhibited superior photocatalytic hydrogen production activity under visible light. Furthermore, we fabricated thin films of Al-doped Sn3O4 and optimized the doping amount of Al to achieve high photocatalytic activity. The 5% Al-doped Sn3O4 exhibited the highest activity owing to its high crystallinity and optimal morphology for better separation of photogenerated carriers. The Al-doped orthorhombic Sn3O4 is promising for application as a visible light-active photocatalyst.

0500化学一般
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