北大,ナノ空間に可視光を閉じ込め水分解を高効率化

北海道大学の研究グループは,厚さ30nmの空間に可視光を効率的に閉じ込める光電極の開発に成功した(ニュースリリース)。

金ナノ微粒子が光を吸収すると金の中の電子が高いエネルギー状態となり,酸化チタン等の半導体に電子を与え,高い還元力を持った電子が水素イオンを還元して水素を,残った電子の抜け殻(正孔)が強い酸化力により水を酸化し酸素を発生させる。しかし,半導体基板上に金ナノ微粒子を一層付着させるだけでは,基板平面内の微粒子密度をいくら高くしても金ナノ微粒子に光を十分吸収させることは困難だった。

研究グループは,厚さ30nmの半導体(酸化チタン)を金ナノ微粒子と金フィルムでサンドウィッチし,金ナノ微粒子側から光を入射すると金フィルムが鏡として働き,全可視光の85%以上の光が酸化チタン層に閉じ込められ,金ナノ微粒子により吸収されることを見出した。金ナノ微粒子は,局在プラズモン共鳴と呼ばれる現象を示し,ある特定の色(波長)を吸収したり散乱したりする。

作製した金ナノ微粒子/酸化チタン/金フィルム光電極の透過・反射スペクトル測定に加えて,既報の光電気化学計測を用いてプラズモン誘起光電変換や水分解反応を行ない,性能を評価した結果,入射光の光強度に対して観測された光電流量を示す外部量子収率が11倍増大することが明らかになっただけではなく,外部量子収率を光の吸収量で規格化した内部量子収率(金ナノ微粒子に吸収された光量に対する電流量)もこの構造体を用いるとピーク波長で比較して約1.5倍増大することが明らかになった。

これについて超高速分光により局在プラズモン共鳴の位相緩和ダイナミクスが変化することを計測により確かめており,モーダルストロングカップリングにより素過程が変化し,内部量子収率の向上に寄与したものと結論した。

今回,1)プラズモンと酸化チタン層内に閉じ込められた可視光が強く相互作用して一体となった新しい状態を創ると,可視光の幅広い波長の光を効率的に吸収させることができることを見出し,2)これにより,閉じ込め機能のない電極と比べ10倍以上の効率で光エネルギーを貯蔵可能な化学エネルギーに変換できた。これにより極めて少ない物質量で再生可能エネルギーを有効に変換でき,サステイナブル社会の実現への大きな貢献が期待されるとしている。

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