岡山大ら,CNTを有機色素で染めた光触媒を開発

岡山大学と山口大学の共同研究グループは,カーボンナノチューブ(CNT)の内部空間に色素分子を封じ込めることで,光照射下において,色素増感水分解反応による水素製造が可能になることを世界で初めて確認した(ニュースリリース)。

太陽光と光触媒を利用した水分解による水素製造法である「人工光合成」は,太陽光のエネルギーと水から水素を安価に得ることができるため,持続可能な社会にとって欠くことのできない技術と考えられている。しかし,現在までに実用化が検討されている光触媒は,太陽光スペクトルのごく一部しか利用できないために,十分な活性が得られていないこと,また,光触媒の一部に希少元素が利用されていることなどの問題点があった。

研究グループは,世界的にも例を見ない,炭素材料を光触媒として利用する水素製造法について研究を進め,CNTが水素発生光触媒として極めて高い活性を有することを発見している。

CNT光触媒は,従来型の水分解光触媒が300~530nm程度の波長域の光にのみ活性を示すこととは異なり,300~1100nmの広い波長域で活性を示すため,水素発生光触媒のブレークスルー技術として期待されているが,それでもまだ全ての波長で高い活性を得ることは難しく,新たな活性波長制御技術が期待されていた。

研究グループは今回,CNTの内部空間に色素分子を封じ込めることで,光照射下において,色素増感水分解反応による水素製造が可能になることを世界で初めて確認した。その水素生成光反応の量子収率は,550nmの波長の光で7.5%と非常に高く,通常の光触媒では利用困難な赤色光(650nm)照射下での量子収率(1.4%)は,色素分子をもたないCNT光触媒の量子収率(0.011%)に比べて,活性が120倍になることが明らかとなった。

研究グループが開発したCNT光触媒はこれまでも,従来型の無機半導体光触媒に比べて,600nm以上の長波長域での活性が極めて高く,優位性を持つことが確認されてきた。今回の成果は,有機色素を利用し,さらに細かい活性波長のチューニングが可能となったもの。これまで利用効率が上がらなかった波長を活用した水素製造が可能になるため,太陽光エネルギー変換効率の大幅な向上につながる。

さらにこの技術は,太陽電池やセンサーなどへ応用することで,デバイスの性能を大きく向上することが期待されるほか,無機光触媒に比べて軽量であることを活かした宇宙空間での利用など,産業界での活用へ向けた検討が進められつつあるという。

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