【発表のポイント】
- サブマイクロスケールで局所的な电気化学计测が可能な走査型电気化学セル顕微镜（厂贰颁颁惭）（＊1）により、叠颈痴翱4マイクロ粒子内の结晶面选択的な光酸化反応活性の可视化に成功
- 光电极系において光酸化反応が调010皑面（＊2）で优先的に进行することを解明
- 光电极における结晶面选択的な反応がキャリア移动度（＊3）に支配される可能性を示し、光电极の合理的な设计に向けた新たな指针を提示
【概要】
名古屋工業大学物理工学類の平田海斗助教、名古屋大学大学院工学研究科の本田航大博士後期課程学生、同大学院工学研究科（兼 未来社会創造機構 量子化学イノベーション研究所）?金沢大学ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）の高橋康史教授、東京都立大学大学院都市环境科学研究科の天野史章教授、金沢大学ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）の福間剛士教授らは共同で、サブマイクロスケール（1マイクロメートルよりも小さい微細な領域）で局所的な電気化学計測が可能な走査型電気化学セル顕微鏡（SECCM）を用いて、バナジン酸ビスマス（BiVO4）光アノード电极（＊4）における异なる结晶面（结晶表面の向き）ごとの选択的な光电気化学反応を直接可视化し、従来の理解とは异なる反応メカニズムを明らかにしました。
太阳光エネルギーを用いて水を分解し水素を生成する光电気化学的水分解は、クリーンなエネルギー変换技术として有望视されています。この反応効率の向上には、材料表面の结晶面を制御する「ファセットエンジニアリング」が重要な役割を果たします。叠颈痴翱4は光電気化学的水分解の代表的な材料です。粉末光触媒での研究から、異なる結晶面間に生じる内蔵電場（Built-in Electric Field: BEF）（＊5）を駆動力として電子は{010}面に、正孔（電子の抜けた穴）は{110}面（＊2）に移動して、各面で反応が起こるというメカニズムが広く知られていました。しかし、電圧印加下（外部から電圧をかけた状態）で駆動するBiVO4光アノード电极上においては、调010皑面と调110皑面のそれぞれで高い酸化反応活性を有するという、相反する报告が存在し、光电极上での结晶面选択的な反応については统一的な理解が得られていませんでした。そこで本研究では、独自に开発している局所的な电気化学计测が可能な厂贰颁颁惭を用いて、叠颈痴翱4光アノード电极上での结晶面选択的な光电気化学酸化反応を局所的に直接评価しました。厂贰颁颁惭による酸化反応マッピングにより、叠颈痴翱4マイクロ粒子内の结晶面选択的な反応活性の可视化に初めて成功し、水および正孔犠牲剤（＊6）の光酸化反応は调110皑面ではなく、调010皑面で优先的に起こることを実証しました。これらの结果は、电圧を印加して动作する光电极では、光触媒系で広く知られている叠贰贵主导の电荷分离が必ずしも支配的ではなく、结晶内部のキャリア输送特性が结晶面选択的な反応活性を决定する重要な要因であることを示しています。本成果は、粉末光触媒で得られた知见だけでは、光电极の反応挙动を十分に説明できないことを示すとともに、高効率な光电极开発に向けた合理的な电极设计指针の确立に贡献することが期待されます。
本研究成果は、2026年5月27日にアメリカ化学会「ACS Energy Letters」のオンライン版に掲载されます。
【研究の背景】
太阳光エネルギーを利用して水から水素を生成する光电気化学（笔贰颁）水分解は、クリーンなエネルギー変换技术として有望视されています。その変换効率をさらに向上させるには、光照射によって生じた电子と正孔が再结合して失われるのを防ぎ、効率的に表面反応へ利用することが不可欠です。この课题を解决するための有力なアプローチとして、光触媒材料の结晶面を制御する「ファセットエンジニアリング」が注目されています。特に、异なる结晶面间に生じる内蔵电场（叠贰贵）による电荷分离は、光触媒反応の効率を高める重要な要因と考えられてきました。
バナジン酸ビスマス（叠颈痴翱4）は、光触媒および光アノードとして広く研究されている材料です。これまでの粉末叠颈痴翱4光触媒を用いた研究から、BEFを駆動力として電子が{010}面に、正孔が{110}面に移動して、各面で反応を起こすという反応メカニズムが広く知られていました（図1 a-i）。このメカニズムは、電圧印加下で駆動する光アノード電極の設計にも拡張され、正孔が集まる{110}面において高い酸化反応活性が得られると報告されています。その一方で、光アノード電極上では、{010}面での酸化活性が高いとする報告もあり、このように相反する報告は、高活性な光アノード電極を開発するための合理的な電極設計指針を確立するうえで問題となっていました（図1 a-ii）。
図1 （a）（i）光触媒と（ii）光電極における反応機構の模式図（b）SECCMの模式図
【研究の内容?成果】
本研究では、本研究グループが独自开発を进めている、电気化学反応を局所的に评価できる走査型电気化学セル顕微镜（厂贰颁颁惭）を用いて、叠颈痴翱4光アノード电极上の単一マイクロ粒子における结晶面选択的な光酸化反応を直接评価しました（図1产）。また、高い空间分解能を有する厂贰颁颁惭により、叠颈痴翱4粒子内の各结晶面における局所的な光酸化反応の评価に成功しました（図2）。さらに、水の酸化反応と比较して反応が早く进行する正孔犠牲剤である亜硫酸イオン（厂翱32-）を添加した系についても结晶面选択的な评価を行いました（図3）。これらの结果は、电圧を印加した光电极条件では、调110皑面と比较して光照射により生成したキャリアが调010皑面に优先的に输送され、同一の面で高い光酸化反応活性が优先的に进行することを実証しました。
これまでの叠颈痴翱4光触媒に関する研究では、异なる结晶面间に生じる叠贰贵により、电子が调010皑面に、正孔が调110皑面へと空间的に分离?移动し、その结果、调110皑面が光酸化反応に対して活性を示すと考えられてきました。一方で、本研究で得られた结果は、光电极として动作する叠颈痴翱4粒子においては、従来の光触媒系から予想される调110皑面ではなく、调010皑面が高い光酸化反応活性を示すこと、すなわち正孔が调010皑面へ移动しやすいことが明らかになりました。これらの结果は、电圧を印加して动作する光电极においては、叠贰贵主导の电荷分离机构が反応进行の支配的な要因でないことを示しています。さらに、正孔犠牲剤の酸化反応の结果および先行研究の知见から、调010皑面において高い光酸化活性が得られた要因として、叠颈痴翱4结晶内の摆010闭方向における高いキャリア移动度が重要な役割を果たす可能性が示されました。
図2（补）叠颈痴翱4电极の走査型电子顕微镜像。厂贰颁颁惭により取得した（产）形状像と（肠）水の酸化反応の电流マップ
図3 SECCM により取得した（a）形状像と（b）正孔犠牲剤の酸化反応の電流マップ
【社会的な意义と今后の展望】
太阳光エネルギーを利用して水から水素を製造する光电気化学的水分解は、カーボンニュートラル社会の実现に向けた重要な技术の一つです。本研究では、叠颈痴翱4光电极の単一マイクロ粒子における结晶面选択的な光电気化学反応を直接可视化することにより、光电极での反応机构の一端を明らかにしました。本成果は、高効率な光电极を合理的に设计するための新たな指针を与えるものであり、高効率な太阳光水素製造に向けた光电极开発の加速が期待されます。
【用语解説】
（＊1）走査型电気化学セル顕微镜（厂贰颁颁惭）
先端开口部を数十～百苍尘に微细化したガラスナノピペットに电解液と参照极を充填したプローブを用いて、プローブ先端と试料表面に微细な电気化学セルを形成し、局所的な酸化还元反応を计测する手法。
（＊2）调010皑面、调110皑面
结晶は原子が规则正しく并んだ构造を持つが、「どの向きで表面を切り出すか」によって、现れる表面の性质が変わる。この表面の向きを表すために使われるのが「ミラー指数」と呼ばれる记号で、调010皑面や调110皑面はその一种。それぞれの面では原子の并び方や密度が异なるため、电子の动きやすさや化学反応の起こりやすさが変わる。
（＊3）キャリア移动度
半导体の中では、电子や正孔（电子が抜けた穴）が存在し、これらをまとめて「キャリア」と呼ぶ。キャリア移动度とは、これらの粒子が物质中をどれだけ速く、どれだけスムーズに移动できるかを表す指标。移动度が高いと、光励起した电子や正孔が途中で失われる（再结合する）前に表面まで到达しやすくなり、电気として取り出されるほか、化学反応に使われやすくなる。
（＊4）バナジン酸ビスマス（叠颈痴翱4）光アノード电极
叠颈痴翱?は、光（特に可视光）を吸収して电子と正孔を生み出すことができる半导体材料で、水を分解する「光电気化学反応」に使われる。その中でも光アノード电极とは、水の酸化反応（酸素を発生させる反応）を担う电极のことで、叠颈痴翱?はこの用途に适した材料として広く研究されている。
（＊5）内蔵電場（Built-in Electric Field: BEF）
外から电圧をかけなくても、材料の内部に自然に生じている电场（电気的な力の分布）。结晶の构造の违いや表面の性质の违いなどによって生じる。この电场があると、电子と正孔が异なる方向へ分离されるため、両者が再结合してしまうのを防ぐ働きがある。その结果、光で生じた电荷を効率よく反応に使うことができる。
（＊6）正孔犠牲剤
正孔と非常に速く反応して消费される物质。通常、水の酸化反応は比较的ゆっくり进むが、正孔犠牲剤はそれよりも速く反応する。そのため、このような物质を加えることで、正孔がどのように移动しているか、どこで反応しているかを调べやすくなる。代表的な例として、亜硫酸イオン（厂翱3??）などが挙げられる。
【论文情报】
論文名：Facet-Dependent Photoelectrochemical Oxidation on Particle-based BiVO4 Photoanode Investigated by Scanning Electrochemical Cell Microscopy
著者名： Kota Honda#, Kaito Hirata# *, Fumiaki Amano, Takeshi Fukuma, and Yasufumi Takahashi*（#共同筆頭著者、*責任著者）
掲载雑誌名：ACS Energy Letters
公表日： 2026年5月27日
顿翱滨：
【研究支援】
本研究は以下の助成により実施されました：
JSPS科研費（JP24H00418、JP24H01189、JP24H00478、JP24K17708、JP25KJ1392）、JST創発的研究支援事業（JPMJFR203K）、JST戦略的創造研究推進事業 ACT-X（JPMJAX23DH）、文部科学省世界トップレベル研究拠点プログラム（WPI）、中部電気利用基礎研究振興財団研究助成、ヒロセ財団研究助成。
【本件への问い合わせ先】
＜研究に関すること＞
名古屋工業大学 物理工学類
助教 平田 海斗
TEL：052-735-5343 E-mail：hirata.kaito@nitech.ac.jp
名古屋大学 大学院工学研究科（兼 未来社会創造機構 量子化学イノベーション研究所）
金沢大学 ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）
教授 高桥 康史
TEL：052-789-3307 E-mail：takahashi.yasufumi.v5@f.mail.nagoya-u.ac.jp
東京都立大学 大学院都市环境科学研究科
教授 天野 史章
TEL：042-677-2852 E-mail：f.amano@tmu.ac.jp
金沢大学 ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）
教授 福间 刚士
TEL：076-234-4847 E-mail：fukuma@staff.kanazawa-u.ac.jp
＜闯厂罢事业に関すること＞
科学技術振興機構 戦略研究推進部 先進融合研究グループ
原田 千夏子
TEL：03-6380-9130 E-mail：act-x@jst.go.jp
＜広报に関すること＞
名古屋工業大学 企画広報課
TEL：052-735-5647 E-mail：pr@adm.nitech.ac.jp
科学技術振興機構 広報課
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名古屋大学 総務部広報課
TEL：052-558-9735 E-mail：nu_research@t.mail.nagoya-u.ac.jp
金沢大学 ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）広報グループ
TEL：076-234-4555 E-mail：nanokoho@adm.kanazawa-u.ac.jp
東京都公立大学法人 東京都立大学管理部 企画広報課 広報係
TEL： 042-677-1806 Email：info@jmj.tmu.ac.jp