本研究では、CdTe/CdS量子ドット増感剤を用いた光誘起水素発生におけるキャッピング剤とナノ結晶サイズの役割を明らかにした

The role of the capping agent and nanocrystal size in photoinduced hydrogen evolution using CdTe/CdS quantum dot sensitizers.

• Elisabetta Benazzi
• Valerio C Coni
• Mattia Boni
• Raffaello Mazzaro
• Vittorio Morandi
• Mirco Natali

抄録

光駆動による水の分解による水素製造は、太陽エネルギー変換において重要なプロセスである。この点で、適切な光捕集装置の選択は、特に安定性の問題を考慮すると、大きな課題となっている。本研究では、CdTe/CdS QDをニッケルビス(ジホスフィン)触媒(1)と犠牲電子供与体であるアスコルビン酸と組み合わせて、光アシスト水素発生のための光増感剤として使用することを報告する。大きさ(1.7-3.4 nm)の異なるQDを調製し、キャッピング剤(MPA, MAA, MSA)を用いて上記の光触媒反応での性能を評価した。また、光触媒反応に関連する電荷移動過程を明らかにするために、詳細な光物理学的研究を行った。その結果、Ru(bpy)32+(bpy=2,2'-ビピリジン)のような一般的な配位化合物を光捕集ユニットとして用いた場合と比較して、驚くべき効率で水素発生が観測された。さらに、照射下での水素発生性能は、キャッピング剤の性質やQDサイズによって強く決定され、半導体ナノ結晶内の表面欠陥濃度と関連している可能性があることを明らかにした。以上の結果から、照射下での持続的な水素発生を実現するためには、高い量子収率と長寿命を特徴とするQDが必要であること、また、構造的・光物理的特性を精密に制御することが、有益な光触媒応用のための主要な要件であることが明らかになった。

Hydrogen production via light-driven water splitting is a key process in the context of solar energy conversion. In this respect, the choice of suitable light-harvesting units appears as a major challenge, particularly as far as stability issues are concerned. In this work, we report on the use of CdTe/CdS QDs as photosensitizers for light-assisted hydrogen evolution in combination with a nickel bis(diphosphine) catalyst (1) and ascorbate as the sacrificial electron donor. QDs of different sizes (1.7-3.4 nm) and with different capping agents (MPA, MAA, and MSA) have been prepared and their performance assessed in the above-mentioned photocatalytic reaction. Detailed photophysical studies have been also accomplished to highlight the charge transfer processes relevant to the photocatalytic reaction. Hydrogen evolution is observed with remarkable efficiencies when compared to common coordination compounds like Ru(bpy)32+ (where bpy = 2,2'-bipyridine) as light-harvesting units. Furthermore, the hydrogen evolution performance under irradiation is strongly determined by the nature of the capping agent and the QD size and can be related to the concentration of the surface defects within the semiconducting nanocrystal. Overall, the present results outline how QDs featuring large quantum yields and long lifetimes are desirable to achieve sustained hydrogen evolution upon irradiation and that a precise control of the structural and photophysical properties thus appears as a major requirement towards profitable photocatalytic applications.