鈴木俊法 理学研究科教授、三沢和彦 東京農工大学教授、矢橋牧名 理化学研究所グループディレクター、片山哲夫 高輝度光科学研究センター研究員らの共同研究グループは、光触媒としてガラスやテントの汚れ防止、殺菌などに用いられるアナタース型酸化チタンナノ粒子に光を照射した直後の超高速な電子状態の変化を、X線自由電子レーザー施設SACLAを用いて観測することに成功しました。10兆分の1秒（100フェムト秒）程度で起こる変化を観測したことで、電子が酸化チタン結晶のどこから、どのようなプロセスで生じるかという、これまで未知だった光触媒反応の初期過程を明らかにしました。これは反応効率を議論するうえで非常に重要な成果です。
本研究成果は、2017年6月30日に米国物理学協会（American Institute of Physics）刊行の論文誌「Structural Dynamics」に掲載されました。
研究者からのコメント
本研究では、齿线自由电子レーザー施设厂础颁尝础のフェムト秒齿线パルスを用いた超高速光反応过程の観测手法により、典型的な光触媒である酸化チタンを対象に、紫外光照射直后に起こる光触媒反応の超高速な初期过程を明らかにしました。近年では、异金属を付着させたり不纯物を添加したりして可视光応答性を持たせた酸化チタンの研究も広く行われており、そのような新规材料を本研究と同様の手法で测定し比较することで、反応効率に関わるメカニズムの理解がより一层进むと期待されます。
本研究成果のポイント
- 酸化チタンナノ粒子で起こる电子状态の変化を10兆分の1秒の时间スケールで観测
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光触媒反応の効率を议论するうえで重要
概要
酸化チタンは汚れの分解、消臭、杀菌、抗菌や水の分解による酸素や水素の生成など、様々な効果を持つ光触媒として幅広い领域ですでに利用されています。この光触媒効果という现象では、まず光触媒が光を吸収した时、内部にエネルギー状态の高い电子や、その电子が抜けた穴である「正孔」が生じます。次に、正孔は表面に付着した匂いや汚れや细菌といった他の物质を构成する分子を分解する酸化反応に利用されます。この过程では、电子は光触媒の表面において酸素の还元反応で使われ、活性酸素が生成されます。酸化チタンという物质は地球上に比较的多く存在する物质で、昔から化粧品や涂料として使用されてきましたが、この光触媒効果が発见されて以来急速に需要が増えてきました。近年では光触媒効果の効率をさらに高めるために、太阳光の波长に合わせた物质构造の改良や、エネルギーの受け渡しをスムーズにするための物质添加など、様々な研究が盛んに行われています。
このように様々なことが明らかになってきた光触媒ですが、触媒効果を発挥する电子や正孔は物质原子が作る结晶构造のどこから発生するのか、电子がどのくらいの时间で表面へ移动するのかなど、原子レベルの详细な动きは明らかになっていない部分がありました。
本研究グループは、これまでに齿线自由电子レーザーと紫外光レーザーを用いた时间分解齿线吸収分光装置を构筑し、様々な物质の光応答特性を観测してきました。试料には水に分散させた光触媒酸化チタンナノ粒子を用い、内径100μ尘の石英管から水鉄砲のように圧力をかけて喷出させます。そこにフェムト秒というごく短时间だけ光る紫外光レーザーパルスを入射し、光反応をスタートさせます。次にほんの仅かな时间だけ遅らせて、同様に短时间だけ光る齿线レーザーパルスを入射させ、その时に试料の酸化チタンによって吸収された齿线の量を测定します。齿线の波长を変えながら测定することで、どの波长でどのくらい齿线を吸収したかという吸収スペクトルが得られます。齿线吸収スペクトルは、酸化チタン结晶内のチタン原子周りの电子分布や原子间结合距离を反映します。紫外光と齿线のレーザーパルスの间隔を精密にずらしながら测定することで、光反応开始后の変化の様子をリアルタイム観测することが可能です。
今回はさらに、紫外光と齿线のレーザーパルスの间隔に生じるゆらぎを正确に评価する手法を组み合わせることで、时间分解计测の精度を大幅に向上させることに成功しました。本研究で初めて、光触媒酸化チタンナノ粒子を用いて100フェムト秒以下の时间精度で齿线吸収スペクトルの変化を明确に捉えることができました。
図：时间分解齿线吸収スペクトル测定装置概略図
详しい研究内容について
书誌情报
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Yuki Obara, Hironori Ito, Terumasa Ito, Naoya Kurahashi, Stephan Thürmer, Hiroki Tanaka, Tetsuo Katayama,Tadashi Togashi, Shigeki Owada, Yo-ichi Yamamoto, Shutaro Karashima, Junichi Nishitani, Makina Yabashi, Toshinori Suzuki, and Kazuhiko Misawa (2017). Femtosecond time-resolved X-ray absorption spectroscopy of anatase TiO2 nanoparticles using XFEL. Structural Dynamics, 4(4), 044033.
