豊田工業大学

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光反応化学

光エネルギー変換、光触媒、水素製造、光キャリアダイナミクス、超高速レーザー分光

持続可能な太陽エネルギー変換技術の研究

研究背景

太陽光を用いて水から水素を製造できる光触媒や低コストで作製できる有機太陽電池、発光素子などの動作機構を解明し、新しい原理で作動する高性能デバイスの開発に取り組んでいます。材料の組成や構造の違いによってこれらのデバイスの性能を支配する光キャリアがどのように振る舞うかを理解しながらその動きを制御し、デバイスの性能を向上に役立てます。このような研究を通して太陽光エネルギーを有効に活用し、エネルギー問題と環境問題の解決に貢献したいと考えています。

新しい時間分解分光分析手法の開発と光触媒や光電極反応機構の解明

金属酸化物や金属酸窒化物などの半導体材料で構成される光触媒に光を照射すると、水を水素と酸素に分解し、さらに、有害汚染物質を分解除去できます。しかし、工業的に用いるためにはさらなる活性の向上が必要です。活性を向上させるためには、反応効率を支配する光励起キャリアの動きを理解することが不可欠です。欠陥や不純物だらけの半導体微粒子におけるキャリアの挙動は単結晶材料に比べて極めて複雑です。我々は、最新の超短パルスレーザー分光装置を駆使し、さらに独自の分光分析技術を開発することで、半導体微粒子の表面で進行する光触媒反応の謎を調べる研究を行っています。

反応機構に立脚した高性能光触媒・光電極の開発

反応機構を解明する研究の中で得られた新しい知見を利用して、より高い性能を有する光触媒や光電極の開発に取り組んでいます。特に光触媒の効率を向上させるためには、光照射により生成した電子と正孔を空間的に分離することで再結合を抑制し、速やかに分子と反応させることが重要です。これらの速度は触媒の組成やバルクの構造、さらには表面構造を変えることで変化しますが、最新の計算科学を利用してもまだ十分に分かっていません。ここでは、最新のレーザー分光装置を利用して得られた情報を利用して新しい高性能光触媒の設計指針を提案します。

有機太陽電池や発光素子の光励起キャリアダイナミクス

太陽エネルギーを化学エネルギーに変換する光触媒や光電極反応の他、光エネルギーを電気エネルギーに変換し、これを再び光に変換する太陽電池や発光素子の性能向上を目指し、これらのメカニズムを解明する研究を行っています。これらのデバイスの性能はいずれも光励起キャリアの動きやエネルギー状態が支配しています。これらの動きを理解し制御することで太陽光エネルギーを有効に利用します。