阪大、p型およびn型半導体ナノ粒子からなる金属酸化物メソ結晶の合成に成功

大阪大学(阪大)は1月22日、1種類もしくは2種類の金属酸化物ナノ粒子からなる金属酸化物メソ結晶を簡便に合成できる手法を開発したと発表した。また、p型およびn型半導体の特性を示す金属酸化物ナノ粒子からなるメソ結晶では、粒子間で高効率な光誘起電荷移動反応が起こることを実験的に明らかにした。

同成果は、同大 産業科学研究所の立川貴士助教、真嶋哲朗教授らによるもの。詳細は、英国Nature Publishing Groupの「Nature Communications」に掲載された。

金属酸化物ナノ粒子は、これまで、光水分解、環境浄化光触媒、バッテリ、センサ、色素増感型太陽電池など、様々な用途に用いられてきた。しかし、金属酸化物ナノ粒子は無秩序に凝集しやすく、そのために生じる表面積の低下や界面の不整合が、光活性や光エネルギー変換効率を低下させる一因となっていた。この問題を解決するために、金属酸化物ナノ粒子が自己組織化した超構造体である金属酸化物メソ結晶の応用が期待されている。金属酸化物メソ結晶は、これまで多くの合成法が報告されてきたが、いずれも手順が煩雑で合成に時間がかかる場合が多く、また、特定の種類の金属酸化物1種類のみのメソ結晶しか合成することができなかった。様々な金属酸化物メソ結晶を簡便に合成できる一般的合成法を確立することができれば、これまで成し遂げられていない複数の金属酸化物、または合金酸化物からなるメソ結晶の開発への糸口が得られるとともに、個々の物質の有する物理的・化学的特徴を生かした応用展開の可能性が飛躍的に広がると期待される。

今回の研究において、酸化亜鉛(ZnO)、酸化銅(CuO)、二酸化チタン(TiO2)などの金属酸化物メソ結晶を簡便に合成できる方法を開発した。また、複数の金属酸化物、または合金酸化物からなるメソ結晶の合成にも成功した。さらに、単一粒子蛍光分光法や時間分解拡散反射法などの分光法を駆使することで、メソ結晶中の異なる種類の金属酸化物ナノ粒子間で高効率な光誘起電荷移動反応が起こることを明らかにした。

今回開発した手法は、複数の金属酸化物メソ結晶を同一条件下で簡便に合成できるという点で大きく優れている。これまで開発されていなかった複数の金属酸化物ナノ粒子から形成されるメソ結晶や複数の金属を含むナノ粒子から成るメソ結晶の合成にも成功したことから、今回の手法は汎用性と応用性に大きな可能性を秘めていると考えられる。また、非常に簡便で、既存の設備による大量生産が可能であるため、環境浄化光触媒、水素発生光触媒、色素増感太陽電池、リチウムイオンバッテリ、磁気記録材料など、幅広い産業応用への展開が考えられる。

さらに、金属酸化物メソ結晶の組成、構造、サイズをより精巧に制御することができれば、金属酸化物の有する様々な機能性をより一層向上させることができると期待される。加えて、メソ結晶の形成機構や界面反応機構の詳細を明らかにすることで、金属酸化物のみならず、様々な無機・有機ナノ材料からなるメソ結晶の合成へと展開することが可能と考えられる。これらの新材料を用いることで、光触媒や太陽電池電極など、さまざまなエネルギー変換システムへの応用が期待されるとコメントしている。

図1 ZnO-CuOメソ結晶の合成と高効率な粒子間電荷移動の観察。(a)ZnO-CuOメソ結晶の形成過程。ナノ粒子が自己組織化によって集合し、中間体結晶を形成する。焼結によってトポタクティック転移が起こり、金属酸化物メソ結晶となる。(b)角度散乱暗視野走査型透過電子顕微鏡によるエネルギー分散X線分析(HAADF-STEM-EDX)法によって得られたZnO-CuOメソ結晶断面の元素分布像。赤色はCu、緑色はZn。(c)単一粒子蛍光分光法によって観測された発光スペクトル。従来型のナノ複合体と比べ、ZnO-CuOメソ結晶の発光は電荷移動によって著しく消光されている。ZnOはn型半導体、CuOはp型半導体である



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