Ag修飾BiVO4の光触媒抗菌性能向上メカニズム：構造依存性の解明

要旨

本研究では、Ag/BiVO₄ヘテロ構造光触媒を開発し、優れた構造依存的な光誘起電荷移動動力学およびその背後にある光触媒抗菌動的プロセスを明らかにしました。BiVO₄とAgナノ粒子の構造依存的インターフェースを成功裏に構築し、光誘起界面電荷移動効率と界面相関を向上させました。DFT計算により、Agとtz-BiVO₄の間で約0.33 eの正味電荷移動が達成され、これはAgとms-BiVO₄の間よりもはるかに大きいことが示されました。より大きな正味電荷は、tz-BiVO₄の電荷キャリア移動度に影響し、Ag/tz-BiVO₄ヘテロ接合における電荷キャリアの移動と分離を促進します。Agとtz-BiVO₄の優れた界面接触により、E. coli不活性化に対する最適化された光触媒性能が得られ、tz-BiVO₄、ms-BiVO₄、Ag/ms-BiVO₄触媒よりも優れていました。光触媒活性に加え、Ag/tz-BiVO₄の熱触媒不活性化活性も、tz-BiVO₄とAg/ms-BiVO₄の約7.2倍と3.1倍高いことを示しました。トラッピング実験とEPR測定により、Ag/BiVO₄の構造依存的光触媒活性が主にH₂O₂活性種の生成能力の顕著な変化に由来し、Ag/tz-BiVO₄ではH₂O₂生成能力が高度に加速されることが示唆されました。さらに、この研究は病原性微生物による環境・水質汚染、医療材料、食品包装、家庭用品、公共場所の消毒など、多くの側面で理想的な候補を提供します。

背景

太陽光と半導体を光触媒目的で利用することは依然として研究のホットスポットであり、エネルギー変換と環境浄化に広く応用されています[1, 2]。ナノヘテロ接合も真剣に取り組むべき注目を集めています。なぜなら、それらはさまざまな側面に応用でき、多くの潜在的応用で並外れた成果を達成しているからです[3-8]。さらに、高効率、環境友好、再生可能エネルギーという利点により、光触媒抗菌技術は環境ガバナンスと滅菌において代替不可能な役割を果たしています[9, 10]。最近、BiVO₄は調整可能な結晶構造と適切な電子構造により優れた候補として浮上しています[11, 12]。しかし、BiVO₄の有利な構造的特性にもかかわらず、非効率な電荷キャリア伝達と短いキャリア拡散長が実用応用の妨げとなっています。固体物理学の観点から、光触媒性能は微細構造の歪みによって主に制御されていると考えられています。エチレングリコールコロイド法で室温で合成可能な四方晶ジルコン型（tz-）BiVO₄は、単斜晶シェーライト型（ms-）BiVO₄に比べて光触媒活性が強く向上しますが、その背後にあるメカニズムは不明確なままです[13]。したがって、BiVO₄の修飾は光触媒活性の向上に限定されるものではなく、微細構造からの光誘起電荷移動動力学を説明することも絶対に必要です。

過剰電荷キャリアの局在化、いわゆる局在ポラロンは、微細構造および界面制御と伴って酸化物半導体の電荷キャリア移動度に強い感情的な影響を与えます。BiVO₄における局在ポラロンは、電荷移動度の動力学を阻害するか、表面での光触媒活性に影響を与えます[14, 15]。表面または界面構造の再構築は、ポラロン拡張の変化を駆動し、電荷キャリアの移動度と光触媒性能に影響を与えます。Ag、Auなどの貴金属は、可視光を吸収する光増感剤として働き、直接電子移動や双極子-双極子結合を通じて電荷キャリア生成を制御できます[16, 17]。貴金属と半導体の接合による界面電荷移動の確立は、ポラロン拡張と電荷キャリア移動度に影響を与え、電荷キャリアの移動と分離を促進する効率的なアプローチです。例えば、Auナノ球で修飾したMo:BiVO₄光陽極は、Mo:BiVO₄と比較して光電流強度が約2.2倍増加します[18]。Ag/BiVO₄ナノ構造に関する最近の研究では、水酸化、有機染料分解などに対する高度に改善された光触媒性能が示されています[19, 20]。ほとんどの報告は光触媒応答の精密な特性評価にのみ焦点を当て、半導体の固有の光物理・光化学性能を深く支配する微細構造解析には焦点を当てていません。構造依存的な固有特性を明らかにするため、Ag/BiVO₄ナノ構造の相構造および表面/界面特徴の実験的同定は、固有特性の制御とさまざまな構造連関半導体へのヒントを提供する上で不可欠かつ有利です。

本研究では、BiVO₄の相構造を合理的に制御し、光触媒抗菌目的でAgナノ粒子を組み立てることで、構造依存的な光誘起電荷移動およびその背後にある光触媒抗菌動的プロセスを明らけることを目的としています。

方法/実験

試薬

硝酸ビスマス（Bi(NO₃)₃·5H₂O）（純度99%）、硝酸銀（AgNO₃）（純度99.8%）、無水エタノール（純度99.7%）はWind ship in Tianjin chemical reagent Co. Ltd（天津、中国）から入手しました。メタバナジン酸アンモニウム（NH₄VO₃）（純度99.9%）はAdamas Reagent Co. Ltd（上海、中国）から購入しました。蒸留水も必要です。すべての試薬はさらなる精製なしで使用しました。

BiVO₄およびAg担持BiVO₄の合成

BiVO₄の合成

BiVO₄試料は水熱法で調製しました。Bi(NO₃)₃ 1ミリモルを20 mLの蒸留水に穏やかな攪拌下で加え、30分間で白色懸濁液を形成しました。NH₄VO₃ 1ミリモルを40 mLの蒸留水に加え、攪拌30分で白色懸濁液を形成しました。その後、NH₄VO₃懸濁液をBi(NO₃)₃溶液に滴下し、橙色懸濁液を形成しました。橙色懸濁液のpHは0.59です。水酸化ナトリウム溶液で上記懸濁液のpHを0から12に調整しました。懸濁液を100 mLのテフロンライニング付きオートクレーブに入れ、密封して180 ℃で12時間加熱しました。反応後の懸濁液のpHは維持されました。オートクレーブを自然冷却し、得られた黄色粉末を回収、蒸留水とエタノールで数回洗浄し、イオンと残留物を除去してpHを中性付近にし、真空乾燥してさらなる特性評価に供しました。

Ag担持BiVO₄の合成

BiVO₄ 1 gを40 mLのエタノールに混ぜ、10分間超音波処理した同一溶液を5セット用意しました。別途、適量のAgNO₃を含む溶液セットを調製しました。AgNO₃水溶液をBiVO₄溶液に慎重に滴下し、定常攪拌下で暗所で1時間保持しました。その後、AgNO₃とBiVO₄の混合物をUV光に2時間暴露し、攪拌しながらAgナノ粒子担持BiVO₄試料を得ました。試料を60 ℃で一晩乾燥させました。初期Ag担持量は1 wt%、3 wt%、5 wt%、7 wt%、10 wt%に固定しました。

細菌調製

凍結乾燥粉末を溶解し、1 mLの菌液を熱滅菌したつまようじで固形培地プレートに塗布しました。接種した固形培地プレートを逆さまにして37 ℃の培養器で12時間培養しました。その後、単一コロニーの選択と培養拡大を行いました。最終的な細胞密度は約1 × 10⁷〜1 × 10⁹ CFU/mLに調整しました。

光触媒細菌不活性化

Ag/tz-BiVO₄によるEscherichia coli（E. coli ATCC 8099、グラム陰性菌）とStaphylococcus aureus（S. aureus ATCC 25923、グラム陽性菌）の可視光（VLD）光触媒不活性化は、蛍光管（PCX50C Discover）照射下で行いました。菌細胞と光触媒（40 mg）を含む懸濁液（40 mL）を用いました。その後、光触媒不活性化実験を開始しました。異なる時間間隔で試料の分取を行い、滅菌水で逐次希釈しました。希釈試料1 mLを直ちに寒天培地に塗布し、37 ℃で12時間培養して生存菌数を決定しました。S. aureusは54 ℃で24時間培養しました。比較のため、光対照（菌細胞と光、光触媒なし）と暗対照（光触媒と菌細胞、光なし）も実施しました。

調製試料の光触媒分解性能は、メチレンブルー（MB）染料溶液（5 mg/L、30 mL）の可視光照射下での光分解により評価しました。420 nmカットオフフィルターを装備した300 Wキセノンランプを光源として用いました。光分解実験では、15 mgの光触媒を30 mLのMB染料溶液に分散させました。吸着脱着平衡を確保するため、溶液を含む石英管を照射前1時間暗所で保持しました。特定の時間間隔で4 mLの懸濁液を採取し、UV-可視分散反射分光計で分析しました。672 nmの吸収ピークを用いて残留MB溶液の濃度を決定しました。

光触媒細菌不活性化を担う主要反応種を特定するため、所定の最適化濃度の特定化合物（それぞれのスカベンジャー）を、上記と同一条件の反応液に個別に添加しました。すべての実験は3回繰り返しました。同時に、MB溶液の光触媒分解における捕獲実験も可視光照射下で実施しました。

細菌SEM観察のための調製手順

光触媒とE. coliの混合物を不活性化前後でサンプリング、遠心分離し、PBS（リン酸緩衝生理食塩水）で2回洗浄しました。その後、回収細胞を2.5%グルタルアルデヒドで12時間プレフィックスしました。0.1 M PBSで洗浄後、試料をエタノール勾配系列（20%、50%、80%、各1回、100%、1回）で各10分間脱水し、その後t-ブタノールで側面を洗浄しました。最後に清潔なシリコンウェーハに滴下し、SEM観察を行いました。

形態、構造、光学特性の特性評価

すべての試料の相純度は、銅ターゲット（λ = 0.15406 nm）を用いたX線回折（XRD）によりRigaku DMAX2500 X線回折計で測定しました。走査速度は1°/分、走査ステップは0.05°、走査範囲は5〜80°に設定しました。試料の形態は、10 kVで動作するS4800装置による走査型電子顕微鏡（SEM）と、200 kV加速電圧のDHG-9240B FEI装置による透過型電子顕微鏡（TEM）で決定しました。テストする適量の触媒を無水エタノールに分散させ超音波分散しました。SEMテストでは分散試料を清潔なシリコンウェーハに滴下し、TEMテストではカーボン膜支持銅グリッドに滴下しました。X線光電子分光（XPS）測定は、Al Kα線（1486.6 eV）、150 WでThermo ESCALAB 250で実施しました。表面帯電効果を補正するため、結合エネルギーをC 1sピーク（284.60 eV）を基準に較正し、casaXPSプログラムで元素定量を実現しました。UV-可視分散反射スペクトルはLambda 750 s UV/vis分光計で測定しました。硫酸バリウムを基準基板とし、走査範囲を200〜800 nmに設定しました。表面光電圧スペクトル（SPV）は、試料室、光チョッパー付きロックインアンプ、300 Wキセノンランプ光源で構成される自作システムで取得しました。試料の光電気化学性能は、標準3電極セルを用いたAUT302N電気化学ワークステーション（Metrohm）で記録しました。作業電極、参照電極、対極にはそれぞれ触媒試料電極、標準Ag/AgCl、白金を用いました。電解質溶液は0.2 M硫酸ナトリウム（Na₂SO₄）溶液、光源はLED光です。光ルミネセンススペクトル分析はEdinburgh Instruments FLS920分光蛍光計で実施しました。ヒドロキシルラジカル（試料4 mg、DMPO 0.22 M、水溶液2.0 mL）と超酸化ラジカル（試料4 mg、DMPO 0.22 M、メタノール溶液2.0 mL）の電子スピン共鳴（EPR）スペクトルは、暗所と可視光照射下で3186 G、9056.895 MHzでER200-SRC電子スピン共鳴分光計（Bruker、ドイツ）により測定しました。磁場強度、マイクロ波強度、走査幅はそれぞれ0.2 mT、1 mW、250 mTに設定しました。テストする試料をNMRチューブ内に入れ、室温、大気中で測定しました。すべての構造最適化と特性計算は、Materials Studio 2017 R2のCASTEPプログラムパッケージに基づく密度汎関数理論（DFT）で実施しました。電子間相互作用の交換相関には一般化勾配近似（GGA）のPerdew Burke Ernzerh（PBE）を選択しました。運動量カットオフエネルギー380 eVを設定し、平面波関数を基底セットとして用いました。電子状態と状態密度の計算は最適化された結晶構造に基づいて実施しました。

結果と考察

XRDデータは、BiVO₄の単斜晶シェーライト型（ms-）から四方晶ジルコン型（tz-）構造への相構造変化が達成可能であることを示唆しています（補足図S1）。Agナノ粒子の接合によりBiVO₄の回折ピークに明らかな変化はありませんでした（図1aおよび補足図S2）。しかし、リートベルト精密解析結果から、Ag/tz-BiVO₄もAg/ms-BiVO₄も、プリスタインtz-BiVO₄とms-BiVO₄試料と比較して明らかな格子拡大を示すことが分かり、表S1にまとめました。BiVO₄マトリックスの格子変化は、AgとBiVO₄ナノ粒子間の優れた界面接触を約束し、TEM観察でも証明されています。TEMおよびHRTEM像を図1bに示します。明らかに、ms-BiVO₄もtz-BiVO₄も、高度に分散したAgナノ粒子を結合する担体として機能し、Agナノ粒子含有量はEDSデータにより初期値に近いことが確認されました（補足図S3）[21, 22]。0.239 nmのdスペーシングはAgの（111）面に対応し（JCPDS No. 87-0597）、隣接する格子縞の0.308 nmと0.484 nmはそれぞれms-BiVO₄の（112）面とtz-BiVO₄の（200）面に密接に関連しています。

a プリスタインtz-BiVO₄、Ag/tz-BiVO₄、プリスタインms-BiVO₄、Ag/ms-BiVO₄のXRDパターン。b Ag/tz-BiVO₄のTEM像、Ag/tz-BiVO₄のHRTEM、Ag/ms-BiVO₄のTEM像、Ag/ms-BiVO₄のHRTEM

調製試料の表面化学組成と酸化状態を取得するため、XPS技術を採用しました。XPS結果は、Bi、V、O、Ag元素の結合エネルギー解析により、Ag/BiVO₄触媒が成功裏に調製されたことを完全に検証しました（図2および補足図S4）。図2aから、tz-BiVO₄のBi 4f軌道は164.1 eVと158.8 eVの結合エネルギーを持つ2つのピークに良好に再現でき、それぞれBi 4f_5/2とBi 4f_7/2軌道に帰属し、先行報告値[23, 24]に近いです。Ag/tz-BiVO₄では、Bi 4f軌道で約0.3 eVの低結合エネルギー側へのシフトが観測されました。図2bはV元素の高分解能XPSデータを示します。プリスタインtz-BiVO₄のV 2p_1/2とV 2p_3/2の結合エネルギーはそれぞれ約524.2 eVと516.6 eVに位置します。Bi 4f軌道と同様に、Ag/tz-BiVO₄ヘテロ接合ではV 2p軌道も結合エネルギーのレッドシフトを示しました。さらに、O 1s XPS解析を図2cに示します。tz-BiVO₄のO 1s軌道の3つの典型的な結合エネルギーは529.6 eV、531.6 eV、533 eVに現れ、それぞれ格子酸素、表面水和酸素、化学吸着分子状O₂に割り当てられます[25]。Ag/tz-BiVO₄では、プリスタインtz-BiVO₄と比較して格子酸素で約0.2 eVのレッドシフトが観測されました。この挙動は格子拡大およびAgとtz-BiVO₄の界面相互作用に関連すると考えられます。しばしば格子拡大は平均結合長の伸長と結合強度の弱化を伴うため、結合エネルギーの低下をもたらします[26]。一方、結合エネルギーの変化は原子近傍の電子密度の再配列を反映し、表面修飾によって影響を受ける可能性があります。結合エネルギーの低下はまた、Agとtz-BiVO₄の優れた界面接触を意味し、界面電荷移動が生じて電子密度が変化したことを予測させます[27]。この推測は以下の理論結果で検証できます。さらに、XPSデータはAgナノ粒子の金属的特徴も確認し、Ag/tz-BiVO₄ヘテロ接合ではAg⁺の証拠は観測されませんでした（図2d）[28]。一方、Ag/ms-BiVO₄のXPS結果も補足図S4に示しました。Ag/tz-BiVO₄ヘテロ接合と同様に、Ag/ms-BiVO₄のBi 4f、V 2p、O 1s軌道の結合エネルギーも約0.1〜0.2 eVの微小なレッドシフトを示しました。Ag/tz-BiVO₄とAg/ms-BiVO₄の結合エネルギーシフトの微小な変動は、BiVO₄とAgナノ粒子の構造依存的界面特徴に起因する可能性が高いです。

tz-BiVO₄とAg/tz-BiVO₄試料のXPSスペクトル：(a) Bi 4f、(b) V 2p、(c) O 1s、(d) Ag 3d軌道

Ag修飾後にBiVO₄の格子拡大が生じたため、電子構造も影響を受ける可能性があり、これは密度汎関数理論（DFT）計算で検証できます。AgとBiVO₄の間の大きな格子ミスマッチのため、Ag/BiVO₄の収束と構造最適化は困難です。したがって、AgとBiVO₄の界面相関を明らかにするため、クラスター/表面モデルを確立しました（補足図S5、S6）。tz-BiVO₄のバンドギャップエネルギーは2.59 eVと推定され、ms-BiVO₄の2.17 eVより大きいです（補足図S7）、これは先行報告結果[13, 29]と一致します。AgクラスターのBiVO₄表面へのアンカーは、O 2pからV 3d軌道への典型的な電子遷移に明らかな影響を与えません。これは調製試料のUV-可視分散反射スペクトル（図3a）で示されています。図3aから、ms-BiVO₄とtz-BiVO₄の両方が可視光応答を示すことが分かります。クベルカ-ムンク理論によれば、光吸収とバンドギャップの関係から試料のバンドギャップエネルギーを計算できます。

(αhν)² = A(hν − E_g)

ここで、α、h、ν、E_g、Aはそれぞれ吸収率、プランク定数、周波数、バンドギャップ、定数を意味します。ms-BiVO₄とtz-BiVO₄のバンドギャップエネルギーはそれぞれ2.40 eVと2.69 eVと推定されました（補足図S8）、DFT結果に近いです。Agナノ粒子のBiVO₄表面への修飾が可視光吸収の拡張をもたらしたことが注目されます（補足図S9）。拡張吸収はAgナノ粒子のSPR効果に起因するはずです。可視光吸収能力に加え、Agナノ粒子のBiVO₄への修飾は光誘起電荷キャリアの動力学にも大きな影響を与えます。

調製試料のUV-可視分散反射スペクトル（a）と表面光電圧スペクトル（b）

図3bの表面光電圧（SPV）信号で示されるように、tz-BiVO₄の最大SPV信号はAg修飾後に0.33 mVに達し、プリスタインtz-BiVO₄の約91.7倍になりました。さらに、Ag/tz-BiVO₄のSPV信号強度はAg/ms-BiVO₄よりもはるかに高いことが注目されます。しばしばSPV信号は光誘起電荷生成と分離プロセスのみから導かれるため、SPV信号強度は電荷キャリア分離効率を反映します[30, 31]。高い信号はしばしば電荷分離効率の向上を予測し、Agとtz-BiVO₄の間により強い相互作用が存在し、Agとms-BiVO₄よりも優れていることを示唆します。これはDFT計算でさらに明確化されました。原子個体数解析は、Agクラスター修飾後にtz-BiVO₄が約0.33 eの正味電荷を獲得することを示唆しています。一方、ms-BiVO₄ではAgクラスターアンカー時に約0.04 eの小さな正味電荷しか生じません（補足表S2）。界面電荷移動はフェルミ準位と電子構造に大きく依存するため、BiVO₄とAg/BiVO₄の仕事関数を図4に示しました。図4a、bに示すように、tz-BiVO₄とms-BiVO₄の仕事関数は、フェルミ準位を真空エネルギー準位（EVL）に合わせることで、それぞれ4.569 eVと5.621 eVと計算されました。EVLと標準水素電極（NHE）の関係[32]に基づき、tz-BiVO₄とms-BiVO₄のフェルミ準位はそれぞれ0.069 Vと1.121 V vs NHEと決定されました。固体物理学の観点から、電子はヘテロ界面間を流れ、フェルミ準位の位置に強く依存します。Agのフェルミ準位は0.4 V vs NHEに位置し、tz-BiVO₄より高いため、電子はtz-BiVO₄表面からAgへ移動します。結果としてAgは負に帯電し、tz-BiVO₄は正に帯電し、DFT結果と一致します。この結果はAgからtz-BiVO₄へ向かう内部電場を予測し、tz-BiVO₄の伝導帯からAgへの光誘起電子の効率的な注入が起こることを示唆します。一方、ms-BiVO₄はより低いフェルミ準位を持つため、Agからms-BiVO₄への逆電子移動プロセスが予想されます。しかし、原子個体数解析ではAgとms-BiVO₄間に明らかな電子移動は観測されませんでした。この結果は、Ag/ms-BiVO₄ヘテロ触媒の光誘起電荷キャリア分離効率が低いことを示唆するかもしれません。

プリスタインtz-BiVO₄（a）とプリスタインms-BiVO₄（b）の仕事関数

上記結果を踏まえ、Ag/BiVO₄ヘテロ構造は構造依存的な光触媒性能を示すと考えられます。モデル細菌として野生株E. coliを選び、Ag/tz-BiVO₄とAg/ms-BiVO₄の光触媒不活性化活性をそれぞれ調べました。E. coliはグラム陰性菌であるため、グラム陽性菌の代表としてS. aureusを用いた補助研究も実施しました（補足図S10）。まず、可視光がE. coli不活性化に対して不活性であることを検証する比較研究を行いました。図5aに示すように、tz-BiVO₄、Ag/tz-BiVO₄、ms-BiVO₄、Ag/ms-BiVO₄によるE. coli不活性化実験を可視光照射下で実施しました。図5aから、プリスタインtz-BiVO₄とms-BiVO₄光触媒によるE. coli不活性化性能はわずかにしか検出されませんでした。しかし、Agナノ粒子の担持によりBiVO₄の光触媒不活性化性能を調節できます（補足図S11）。一方、構造依存的な光触媒性能が観測されました。Ag重量比が7%に達すると、Ag/tz-BiVO₄は先行報告のいくつかの材料と比較してE. coliに対する最適化された光触媒不活性化効率を示しました（補足表S3）。90分以内に細菌不活性化効率は100%に達しましたが、Ag/ms-BiVO₄ヘテロ光触媒はVL照射下でE. coli不活性化に対して微小な光触媒活性しか示しませんでした（補足図S11）。先行報告ではAgナノ粒子が抗菌活性を示すことが分かっています。したがって、暗室での対照実験を行い、Ag/BiVO₄ヘテロ構造の光触媒効果と熱触媒効果の相乗効果をE. coli不活性化について検証しました。図5bに示すように、不活性化プロセスをVL照射下と暗所で2時間実施し、調製触媒の光触媒および熱触媒滅菌効果を比較しました。ms-BiVO₄はE. coli不活性化に対して不活性でしたが、tz-BiVO₄はVL照射下でも暗所でも低活性でした。Agナノ粒子修飾後、熱触媒活性が大幅に向上しました。例えば、Ag/tz-BiVO₄の熱触媒不活性化活性は、tz-BiVO₄とAg/ms-BiVO₄の約7.2倍と3.1倍高くなりました。さらに、VL照射下ではAg/tz-BiVO₄とAg/ms-BiVO₄の両方の触媒活性が優勢に向上しました。同様の結果はMB染料溶液の光触媒分解でも得られました（補足図S12a）。7時間の可視光照射後、7Ag/tz-BiVO₄によるMB染料溶液の光触媒分解率は約85%に達しました。Ag/tz-BiVO₄によるE. coli破壊プロセスを知るため、SEM観察を行い、光触媒不活性化プロセス中の形態変化を調べました（図5c、d）。図5cに示すように、細菌が触媒と接触していないとき、E. coliは良好に保存された桿状形態と完全な細胞構造を示しました。2時間照射反応後、無秩序な膜構造が観測され（図5d）、細胞が完全に分解されたことが示されます。これは光触媒処理が細菌細胞の膜透過性に著しい無秩序を誘起するという先行研究とよく一致します。

Ag/tz-BiVO₄とAg/ms-BiVO₄光触媒によるVL照射下のE. coli光触媒不活性化（a）。光触媒と熱触媒滅菌効果の比較研究（b）。Ag/tz-BiVO₄による個々のE. coli細胞の光触媒不活性化0時間（c）と2時間（d）のSEM像

光触媒プロセスおよびE. coli不活性化を決定する活性酸素種の更なる情報を得るため、いくつかのタイプのラジカル種スカベンジャーを慎重に導入し、E. coli不活性化の光触媒プロセスを繰り返しました。図6aに示すように、シュウ酸ナトリウム、イソプロパノール、Cr(VI)、Fe(II)-EDTA、テトラメチルピペリジン（TEMPOL）をそれぞれ正孔（h⁺）、ヒドロキシルラジカル（・OH）、電子（e⁻）、H₂O₂、超酸化ラジカル（・O₂⁻）のスカベンジャーとして用いました[33, 34]。スカベンジャー実験実施前に、各スカベンジャーの濃度を先行研究で最適化しました。スカベンジャーを添加しない場合、10⁶ cfu/mLのE. coliは90分以内に完全に不活性化されました。TEMPOLとFe(II)-EDTAをそれぞれ・O₂⁻とH₂O₂のスカベンジャーとして添加すると、細菌不活性化が実質的に抑制され、・O₂⁻とH₂O₂が光触媒不活性化プロセスで重要な役割を果たすことが示唆されました。シュウ酸ナトリウムとイソプロパノール添加後、Ag/tz-BiVO₄による殺菌不活性化効率が部分的に阻害され、h⁺と・OHが強力な酸化能力で直接E. coli細胞を破壊できること、一方光誘起電子はE. coli不活性化プロセスに観測可能な影響を与えないことが示されました。MB染料溶液の光触媒分解捕獲実験も可視光照射下で実施しました。補足図S12bでは、t-BuOH、硝酸銀（AgNO₃）、エチレンジアミン四酢酸（EDTA）、Fe(II)-EDTAをそれぞれ・OH、e⁻、h⁺、H₂O₂のスカベンジャーとして用いました。結果はH₂O₂がMB染料溶液光触媒分解実験における主要活性種であることを示しています。活性種・OH、e⁻、h⁺も光触媒分解プロセスに異なる影響を与えますが、これはプレートカウント法の誤差により光触媒滅菌捕獲実験における活性種の役割とは異なります。

Ag/tz-BiVO₄存在下での各スカベンジャー添加時の光触媒不活性化効率（a）。プリスタインtz-BiVO₄、Ag/tz-BiVO₄、プリスタインms-BiVO₄、Ag/ms-BiVO₄存在下でのVL照射下の・OHとDMPO-・O₂⁻のEPRスペクトル（b）。プリスタインtz-BiVO₄、Ag/tz-BiVO₄、プリスタインms-BiVO₄、Ag/ms-BiVO₄によるH₂O₂相対濃度（懸濁液pHをNaOHで9に調整、3.5 mL採取、0.7 mMルシゲニン溶液50 μL添加）（c）

活性種の更なる情報を得るため、電子常磁性共鳴（EPR）測定を用いました。簡単に言うと、DMPOをスピントラッパーとして用い、・O₂⁻と・OH種の存在を証明しました[35, 36]。図6bに示すように、VL照射時間を延長することで、DMPO-・OH種の非常に弱い特性EPR信号が観測されました（補足図S13）。Agナノ粒子修飾後、tz-BiVO₄とms-BiVO₄の両方でDMPO-・OHのEPR信号強度が劇的に向上し、Agナノ粒子担持によりBiVO₄の・OH生成能力が大幅に向上したこと、これは電荷キャリア分離効率の向上に起因することを示唆します。さらに、図6cに示すように、すべての調製試料でDMPO-・O₂⁻の典型的なEPR信号も検出されました（補足図S14）。DMPO-・OHのEPR信号強度と同様に、DMPO-・O₂⁻の強度もAg/tz-BiVO₄とAg/ms-BiVO₄ヘテロ構造で向上しました。興味深いことに、DMPO-・OHまたはDMPO-・O₂⁻のEPR信号強度は、Ag/tz-BiVO₄の方がAg/ms-BiVO₄よりも高いです。光触媒プロセスでは、電子バンドポテンシャルが常に活性種と光触媒活性の調節に支配的な役割を果たします。ムリケン電気陰性度とバンドギャップエネルギー[37]に基づき、tz-BiVO₄とms-BiVO₄の伝導帯ポテンシャルはそれぞれ約0.21 Vと0.30 V vs NHEと計算されました（補足図S15）。したがって、tz-BiVO₄とms-BiVO₄の価電子帯ポテンシャルはそれぞれ2.90 Vと2.70 V vs NHEと決定されました。先行文献によれば、・OH/H₂Oの酸化還元ポテンシャルは2.38 V vs NHEに位置します[38]、これはE. coli不活性化の光触媒プロセスにおける・OHの参加を示唆します。しかし、・O₂⁻/O₂の酸化還元ポテンシャル（−0.33 V vs NHE）はtz-BiVO₄とms-BiVO₄の伝導帯ポテンシャルよりも負であり、両者とも・O₂⁻反応種を生成できないことを示しています。この結果はトラッピング実験と矛盾するように見えます。したがって、・O₂⁻反応種の起源を特定する必要があります。水溶液中では、光誘起正孔がH₂O₂を酸化して1つの・O₂⁻を生成できます：H₂O₂ + h⁺ → ・O₂⁻ + 2H⁺ [39]。さらに、・O₂⁻生成はH₂O₂と・OHの反応でも達成できます：H₂O₂ + ・OH → ・O₂⁻ + H₂O + H⁺ [40]。この観点から、調製BiVO₄試料のH₂O₂生成能力を調べる必要があります。VL照射時間関数としてのH₂O₂濃度を図5cに示しました。明確に、すべての調製試料でVL照射下にH₂O₂が生成されます。圧倒的に、Ag/tz-BiVO₄ヘテロ構造では初期120分でH₂O₂濃度が6.40から30.69 μMへ徐々に増加し、他の試料よりもはるかに高くなりました。したがって、Agとtz-BiVO₄の接合は優れた界面接触により光触媒のH₂O₂生成能力を大幅に向上させ、E. coli不活性化に対する高度に改善された光触媒活性およびAg修飾BiVO₄ヘテロ構造の相依存的光触媒活性をもたらしました。

以上の結果から、Ag/tz-BiVO₄上でのE. coli不活性化の妥当なメカニズムを提案します。tz-BiVO₄の伝導帯端ポテンシャルが金属Agナノ粒子よりも高いため、tz-BiVO₄伝導帯の電子は速やかにAgナノ粒子へ移動し、BiVO₄の価電子帯と伝導帯間の電子-正孔対再結合を抑制します。光生成正孔は半導体表面に移動し、直接細菌と接触するか、H₂O分子と反応してH₂O₂と・OHを生成します。同時に、Agナノ粒子上に濃縮された電子はその後H₂O₂によってスカベンジされ、・OH活性種を生成する可能性があります。フリーラジカルは微生物を構成する有機物と反応し、直接有機物をCO₂やH₂Oなどの無機物質に酸化します。このプロセスは微生物の元の状態と特性を変化させ、微生物細胞の増殖を直接阻害し、細菌を防止します。

結論

要約すると、Ag/BiVO₄ヘテロ構造光触媒を、BiVO₄の相構造を合理的に制御し、光触媒抗菌目的でAgナノ粒子を組み立てることで開発し、構造依存的な光誘起電荷移動およびその背後にある光触媒抗菌動的プロセスを明らかにしました。DFT理論計算は、Agとtz-BiVO₄の間で約0.33 eの正味電荷を持つ界面電荷移動を示し、これはAgとms-BiVO₄の間よりもはるかに大きく、Ag/tz-BiVO₄の優れた界面接触と改善された電荷分離効率を予測します。更なる実験的特性評価に基づき、Ag/tz-BiVO₄のE. coli不活性化に対する最適化された光触媒性能は、tz-BiVO₄、ms-BiVO₄、Ag/ms-BiVO₄触媒よりも優勢に高いです。光触媒活性に加え、Ag/tz-BiVO₄の熱触媒不活性化活性もtz-BiVO₄とAg/ms-BiVO₄の約7.2倍と3.1倍高いことを示しました。トラッピング実験とEPR測定の組み合わせにより、・O₂⁻、・OH、H₂O₂活性種が光触媒不活性化プロセスで重要な役割を果たすことが示されました。さらに、詳細な調査により、Ag/BiVO₄の構造依存的光触媒活性が主にH₂O₂活性種生成能力の顕著な変化に由来し、Ag/tz-BiVO₄でのH₂O₂生成能力が高度に加速されることが示唆されました。この研究は、さまざまな構造連関半導体の固有特性制御へのヒントを提供します。