東工大,複合材料で可視光水分解電極を開発

東京工業大学の研究グループは,酸化チタンと水酸化コバルトからなる複合材料が可視光照射下で水を分解する光電極として機能することを発見した(ニュースリリース)。

水を水素と酸素に分解する光電極の開発は太陽光に多く含まれる可視光を化学エネルギーへ変換する「人工光合成」実現の観点から重要な課題となる。酸化チタンに代表されるある種の金属酸化物は合成が比較的容易で,化学的にも安定であることから,水分解の光電極材料として広く研究されてきた。だが,それらのほとんどはバンドギャップが大きいため,紫外光しか吸収できないことが大きな問題となっていた。

研究グループは透明導電性ガラス上に積層した酸化チタン薄膜に水酸化コバルトを析出させた電極が可視光照射下で水を分解する新たな光電極となることを見出した。酸化チタンや水酸化コバルト単独では同様の機能は得られず,両者を組み合わせることで生まれる可視光吸収能が機能発現の起源となっていることが明らかとなった。

酸化チタンや水酸化コバルトといったありふれた物質のみを用いて,実現困難な可視光水分解をはじめて実現した。この複合光電極は簡便かつ低コストな手法で作成できるという特徴もあわせもっている。

これまで,可視光で水を分解する光電極の開発には,新材料の探索や既知物質の高性能化など多大な努力がなされてきた。今回の発見により,ありふれた物質同士を簡便な操作で組み合わせるだけで太陽光エネルギーを化学エネルギーへ変換する革新的機能材料を創出できる可能性が見えてきた。

今後,光電極構造・電解条件の最適化を行なうことや類似物質の組み合わせを検討することでさらなる性能向上が見込まれるという。加えて今回の複合光電極は水分解水素製造だけでなく,二酸化炭素還元のための光電極部材としての応用も期待される。

また,これまでにない新しい動作原理で働く光電極であることから,その学術的な意義は大きく,詳細な機構解明も今後の重要な課題となるとしている。

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