光電極における結晶面選択的な反応メカニズムを解明 ― 合理的な光電極設計指針の確立に期待 ―

2026-05-28 名古屋工業大学,科学技術振興機構,名古屋大学,金沢大学,東京都立大学

名古屋工業大学、名古屋大学、金沢大学、東京都立大学などの共同研究チームは、走査型電気化学セル顕微鏡(SECCM)を用いて、バナジン酸ビスマス(BiVO₄)光アノード電極における結晶面ごとの光酸化反応活性を直接可視化し、従来理解とは異なる反応メカニズムを明らかにした。研究成果は『ACS Energy Letters』に掲載された。光電気化学的水分解では、結晶面制御による反応効率向上が重要視されている。従来は内蔵電場(BEF)によって正孔が{110}面へ移動し酸化反応が進むと考えられていたが、本研究では水や正孔犠牲剤の酸化反応が{010}面で優先的に進行することを実証した。これは、電圧印加下の光電極ではBEFよりもキャリア移動度が結晶面選択性を支配する可能性を示す成果である。SECCMによる局所電気化学計測により、サブマイクロスケールでの反応分布解析が可能となり、高効率光電極設計に向けた新たな指針を提示した。研究成果は、水素生成用光電極や次世代エネルギー変換材料開発への応用が期待されている。

光電極における結晶面選択的な反応メカニズムを解明 ― 合理的な光電極設計指針の確立に期待 ―
SECCMの模式図

<関連情報>

走査型電気化学セル顕微鏡による粒子ベースBiVO4光アノード上での面依存性光電気化学酸化の調査 Facet-Dependent Photoelectrochemical Oxidation on Particle-Based BiVO4 Photoanode Investigated by Scanning Electrochemical Cell Microscopy

Kota Honda,Kaito Hirata,Fumiaki Amano,Takeshi Fukuma,and Yasufumi Takahashi
ACS Energy Letters  Published: May 26, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01004

Abstract

Facet engineering plays a crucial role in improving photoelectrochemical (PEC) water splitting efficiency. However, the facet-dependent reaction mechanisms in photoelectrodes remain unclear, which hinders rational design. In this study, we employed scanning electrochemical cell microscopy (SECCM) to visualize the distribution of the local PEC oxidation reaction of faceted BiVO4-based photoanodes. The SECCM results revealed that the PEC water and hole scavenger oxidation preferentially occurred on the {010} facet rather than on the {110} facet. These results contradict the charge separation mechanisms driven by a built-in electric field (BEF) in unbiased BiVO4 photocatalysts, which indicates that the BEF is not the most dominant factor governing carrier transport under an applied bias. Instead, our results suggest that superior carrier mobility along the [010] direction is preferred for hole transport and enhanced PEC activity on the {010} facet. These findings indicate the dominant role of carrier transport properties in determining facet-dependent PEC performance and reveal the limitations of the direct application of photocatalyst-based mechanisms to photoelectrode design.

0403電子応用
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