上級 · 20分
光による水の分解：TiO₂ 光触媒
水中の TiO₂ 膜に UV を当て、電子と正孔が H₂ と O₂ を作る様子を観る。人工光合成である。
目的
光子 → e⁻–h⁺ 対 → H₂/O₂ の連鎖をたどり、TiO₂ が可視光でなく UV を必要とする理由を評価する。
器具と試薬
TiO₂（ルチルまたはアナターゼ）の膜または粉末、少量の NaOH または電解質を含む水、UV ランプ（約 365 nm）、H₂・O₂ 採取管、UV 対応保護めがね。
手順
- ランプを消した状態から始め、暗所では TiO₂ 上に気体が発生しないことを確かめる。
- UV ランプを点灯し、e⁻–h⁺ 対が還元サイト（H₂）と酸化サイト（O₂）へ向かう流れを追う。
- 集めた気泡の体積を比較する。H₂ は O₂ の約2倍になるはずである。
- どの光子が有効か考える：アナターゼ型 TiO₂ は Eg ≈ 3.2 eV なので λ ≲ 390 nm しか吸収しない。
観察すること
- 気体は UV 照射下でのみ発生する。暗所では e⁻–h⁺ 対が存在せず半導体は不活性のまま。
- H₂ の体積は O₂ の約2倍で、2 H₂O → 2 H₂ + O₂ の 2:1 の化学量論と一致する。
解説
hν ≥ Eg の光子は電子を伝導帯へ励起し、価電子帯に正孔を残す。伝導帯電子は H⁺ を H₂ に還元し（2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂）、価電子帯の正孔は水を O₂ に酸化する（4 h⁺ + 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺）。水分解には ΔG = +237 kJ/mol（電子あたり約 1.23 V）が必要で、触媒のバンド端が H⁺/H₂ と O₂/H₂O の酸化還元準位を挟む必要がある。TiO₂ はそれを満たすが UV でしか働かないため、可視光応答型光触媒は依然として研究の最前線である。
実験の歴史
ベクレルは1839年、AgCl 電極で最初の光電気化学効果を観測した。1972年に藤島と本田は、TiO₂ 電極が UV 下で外部バイアスなしに水を分解することを示した。これが光触媒の創始実験である。現代の研究はドープ酸化物やタンデムセルで可視光応答を目指している。
ゆかりの化学者
関連トピック
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。