[論文レビュー] Preparation and Characterization of Metal-free graphitic Carbon Nitride Film Photocathodes for Light-induced Hydrogen Evolution

Florent Yang, Michael Lublow+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2012

Advanced Photocatalysis Techniques被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、不活性ガス雰囲気下でジシアニジンアミドを熱重合させることにより、半導体基板上に金属を含まないグラフィチックカーボンナイトライド（g-C3N4）薄膜を効果的に作製した。その結果、ナノ結晶の高孔質ネットワークが得られた。光電化学的評価により、酸性度の広い範囲のプロトン濃度で効率的な光誘起水素発生が確認され、g-C3N4が太陽光を用いた水素生成のための実用的で金属を含まない光アンソード材料であることが示された。

ABSTRACT

Very recently, it has been shown that an abundant material, polymeric carbon nitride, can produce hydrogen from water under visible-light irradiation in the presence of a sacrificial donor [1]. We will present here the preparation and characterization of graphitic carbon nitride (g-C3N4) films on semiconducting substrates by thermal condensation of dicyandiamide precursor under inert gas conditions. Structural and surface morphological studies of the carbon nitride films suggest a high porosity of g-C3N4 thin film consisting of a network of nanocrystallites. Photo-electrochemical investigations show upon cathodic polarization light-induced hydrogen evolution for a wide range of proton concentrations in the aqueous electrolyte. Additionally, Synchrotron radiation based photoelectron spectroscopy has been applied to study the surface/near-surface chemical composition of the utilized g-C3N4 film photocathodes. For the first time it is shown that g-C3N4 films can be successfully applied as photoelectrochemical material for light induced hydrogen evolution. [1]X. Wang, K. Maeda, A. Thomas, K. Takanabe, G. Xin, J. M. Carlsson, K. Domen, M. Antonietti, Nature Mat. 2009, 8, 76-80.

研究の動機と目的

• 可視光を用いた持続可能な水素生成に適した低コストで金属を含まない光アンソード材料の開発を目的とする。
• 貴金属共触媒の限界を克服するため、豊富に存在するカーボンナイトライドを用いて光電気化学的水分解を実現することを目的とする。
• 電荷分離性と表面反応性を向上させるために、最適化された形態および電子構造を有するg-C3N4薄膜の設計を目的とする。
• 水素イオン濃度が異なる水溶液電解質中でg-C3N4薄膜の光電気的性能を検証することを目的とする。
• 表面化学的組成をシンクロtron放射線を用いた光電子分光法で特徴づけ、表面状態と触媒活性との相関を明らかにすることを目的とする。

提案手法

• 不活性ガス雰囲気下でジシアニジンアミド前駆体を半導体基板上に熱重合させ、g-C3N4薄膜を形成する。
• X線回折および電子顕微鏡法などの手法を用いて構造的および形態的特徴を評価し、ナノ結晶ネットワークの形成を確認する。
• カソード偏位条件下での光電気化学的測定により、異なるプロトン濃度における水素発生速度を評価する。
• シンクロtron放射線を用いた光電子分光法（SR-PES）を用いて、g-C3N4薄膜の表面および近接表面の化学的組成を分析する。
• 可視光照射下で水素発生を可能にするために、犠牲的電子供与体を用いる。
• 電解質のpHを系統的に変化させ、プロトン濃度が光アンソード性能に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 g-C3N4薄膜は、半導体基板上に効果的に合成可能であり、水素発生のための光電極として機能するか？
• RQ2 g-C3N4の多孔質ナノ結晶構造は、その光電気化学的活性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 電解質中のプロトン濃度は、水素発生速度にどのように依存するか？
• RQ4 g-C3N4の表面化学的状態、特に窒素および炭素種の状態は、その光触媒的性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 g-C3N4は可視光下で安定的かつ効率的に金属不含有の光アンソードとして機能できるか？

主な発見

• ジシアニジンアミドを不活性条件下で熱重合させることにより、g-C3N4薄膜がナノ結晶の高孔質ネットワークとして効果的に合成された。
• 光電気化学的測定により、水溶液電解質中の広いプロトン濃度範囲で光誘起水素発生が確認された。
• シンクロtron放射線を用いた光電子分光法により、グラフィチックカーボンナイトライドに一致する表面化学的状態が明らかになり、光触媒に適した電子構造を支持する結果が得られた。
• 貴金属共触媒を用いずに効率的な水素生成が実現されたことから、低コストな代替材料としての可能性が示された。
• g-C3N4薄膜の多孔質構造と高い比表面積が、物質移動の向上と有効サイトの露出を促進し、性能向上に寄与していると考えられる。
• 本研究では、可視光下でg-C3N4薄膜を光電気化学的光アンソードとして水素発生に成功した初の事例を報告した。