NEDOら,可視光で水を分解する光触媒を開発

新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と人工光合成化学プロセス技術研究組合(ARPChem)は,東京大学や信州大学などと共同で,世界で初めて,可視光で水を水素と酸素に分解する酸硫化物光触媒を開発した(ニュースリリース)。

太陽光の強度のピークは主に可視光領域(400nm~800nm)にあるため,光触媒がこの波長域の光を吸収して水を分解できれば,効率よく太陽光のエネルギーを利用できる。しかし,従来の光触媒は,吸収波長が主に紫外光領域(400nm以下)に限られるものが多く,可視光領域から近赤外光領域の光を利用できるように,光触媒の吸収波長を長波長化することが課題の1つだった。

今回開発した光触媒は,Y2Ti2O5S2という酸硫化物半導体で構成される。この光触媒は波長640nm以下の太陽光を吸収し,弱アルカリ性水溶液中で水を水素と酸素に分解することが可能なバンド構造を有している。

研究グループは,Y2Ti2O5S2光触媒に水素生成反応を促進する助触媒としてCr2O3で被覆されたRh微粒子を,酸素生成反応を促進する助触媒としてIrO2微粒子の両方を担持する手法を開発した。さらに,反応溶液のpH値を調整することで,光励起された電子と正孔を水分解反応に有効利用できるようになり,今回の可視光による水分解が可能な酸硫化物光触媒の開発に成功した。

従来の酸硫化物光触媒は酸素を発生することができなかったが,Y2Ti2O5S2光触媒は20時間にわたって持続的に水を水素と酸素に2:1の比率で分解できることを確認した。この光触媒は水中に微粒子として分散することで,波長640nm以下の太陽光,および疑似太陽光を吸収して水を分解できるという。波長600nm近辺は太陽光で最も強度が高い波長域のため,効率的な太陽光エネルギーの活用が期待できる。

酸硫化物半導体には,Y2Ti2O5S2のほかにも,可視光を強く吸収して水を分解する可能性を持つ材料が数多く存在することが知られている。また,今回開発した触媒は微粒子状のため,将来,大面積の光触媒シートを作る上で,スプレー塗布法などの簡便な工程を適用しやすいというメリットもあるという。

研究グループは,今回の研究成果を皮切りに,酸硫化物光触媒のさらなる高活性化を図ることができれば,安価な水素製造プロセスの実現が期待できるとしている。

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