物理化学：光触媒粒子における電荷移動の時空間的撮像

光触媒粒子を用いた水分解反応は、ソーラー燃料を生成する有望な手段である。光触媒から触媒表面部位への光誘起電荷移動は、光触媒効率を確保するカギである。しかし、この過程はナノメートルからマイクロメートル、フェムト秒から秒に至る幅広い時空間的範囲に及ぶため、理解するのは困難である。単一光触媒粒子における定常状態の電荷分布のマッピングは顕微鏡法によって行われており、光触媒凝集体における電荷移動ダイナミクスは時間分解分光法によって明らかになったものの、単一光触媒粒子における時空間的に変化する電荷移動過程は追跡できておらず、その正確な機構は分かっていない。今回我々は、酸化第一銅光触媒粒子において時空間分解表面光起電力測定を行い、単一粒子レベルの全体的な電荷移動過程を、フェムト秒から秒の時間スケールでマッピングした。その結果、光生成電子が、サブピコ秒の時間スケールでのファセット間のホットエレクトロン移動を通して、触媒表面へと準バリスティックに移動する一方、光生成正孔は、空間的に隔てられた表面へと移動し、マイクロ秒の時間スケールで選択的トラッピングを通して安定化することが見いだされた。我々は、こうした超高速ホットエレクトロン移動レジームと異方性トラッピングレジームは、移流–拡散モデルという古典的認識に異を唱えるものであり、光触媒反応における効率的な電荷分離に寄与するとともに光触媒性能を向上させることを実証する。我々は、今回の知見を用いて、他の光電子デバイスの普遍性が説明され、光触媒の合理的設計が促されると予想する。

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