可視光応答性酸化チタン光触媒の小角散乱による構造解析

Structure analysis for visible light photocatalytic titanium dioxide by using small-angle scattering

山口 大輔; 能田 洋平; 小泉 智; 長谷川 良雄*; 菱沼 行男*; 鈴木 将*; 児玉 弘人*; 大沼 正人*; 大場 洋次郎*

Yamaguchi, Daisuke; Noda, Yohei; Koizumi, Satoshi; Hasegawa, Yoshio*; Hishinuma, Yukio*; Suzuki, Masashi*; Kodama, Hiroto*; Onuma, Masato*; Oba, Yojiro*

半導体光触媒である酸化チタンは、環境浄化への応用等が期待されているが、吸収波長領域が紫外領域に限られているため、その波長領域を可視光領域にまで拡張することが求められている。近年、酸化チタンに窒素を微量ドープすることで、可視光応答性の光触媒が実現された。本研究では窒素ドープが酸化チタンにもたらす構造と機能との関係を調査する目的で、新規な製法により作製されたシート状(厚さ数十数百nm)の酸化チタン光触媒(以下TiOナノシートと記述)と、窒素ドープを行ったTiOナノシート試料を、中性子小角散乱(SANS)及びX線小角散乱(SAXS)により測定し、ナノスケールの構造解析を行った。系を構成する、窒素,酸素,チタンの各元素がX線及び中性子に対して、異なるコントラストを有することから、SANS, SAXSの散乱の比較により、微量ドープされた窒素の分布に関する知見を得た。それによると、ドープされた窒素は酸化チタンの表面近傍に局在している構造が示唆された。また、窒素ドープを行ったTiOナノシート試料を酸化チタンの散乱長に合うように、重水/軽水を混合した水に浸すことにより、ドープされた窒素原子のみからの散乱を捉え、その分布についての検討を行った。

The structure of nitrogen (N)-doped titanium dioxide (TiO), which is a visible light photocatalyst, was investigated by small-angle neutron (SANS) and X-ray scattering (SAXS) methods. The bare TiO was fabricated by sol-gel method and possessed a characteristic length of ca. 10 nm due to some regularity consisting of TiO particles and pores. In the air, bare TiO and N-doped TiO specimens showed a similar scattering profiles each other for both of SANS and SAXS measurements. A slight increase of scattering intensity was observed for N-doped TiO specimen only on the SANS profile. To confirm whether the slight difference in SANS profiles between bare TiO2 and N-doped TiO specimens was due to the doped N atoms, both of bare TiO and N-doped TiO specimens were soaked in the mixture of HO/DO = 55/45 (w/w) mixture, of which scattering contrast for neutron is the same as TiO, and measured by SANS. The resultant SANS profiles of soaked bare TiO and N-doped TiO specimens were distinctly different each other and the scattering from doped N atoms, which gives the information of their distribution was captured.