東工大,ナノ材料と色素分子融合で人工光合成実現

東京工業大学の研究グループは,酸化物ナノシートと色素分子からなる複合材料が,可視光照射下で水から水素を効率良く生成する光触媒として働き,いわゆる「人工光合成」を実現できることを発見した(ニュースリリース)。

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,水分解の光触媒材料として広く研究されてきた。だが,そうした金属酸化物のほとんどでは,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問題となっていた。

この問題の解決法として,可視光の吸収が可能な色素分子を金属酸化物上に吸着させ,可視光吸収により励起状態となった色素からの電子(e)移動を利用して,水から水素を製造するシステムが提案されてきた。

このシステムは色素増感太陽電池と同じ原理で駆動することから,色素増感型光触媒と呼ばれ,世界中で研究されてきたが,効率の向上が課題となっていた。

研究グループはこれまでの研究で,酸化物ナノシートKCa2Nb3O10の積層空間に白金(Pt)ナノ粒子を内包したナノ構造体を開発し,これが紫外光照射下で効率良く働く水分解光触媒となることを明らかにしていた。

今回,類似組成の酸化物ナノシートHCa2Nb3O10に色素分子としてルテニウム錯体を吸着させたものを水素生成光触媒に用いたところ,酸化タングステン系の酸素生成光触媒とヨウ素系電子伝達剤(I3/I)の存在下において,可視光により,水を水素と酸素に完全分解できることを発見した。

さらに,アモルファス状の酸化アルミニウムをあらかじめ付着させた,酸化アルミニウム修飾Pt/HCa2Nb3O10ナノシートを使用することで,水分解反応が大幅に促進されることを突き止めた。

この反応機構をレーザー分光で調べたところ,酸化アルミニウムの存在によって,ヨウ化物イオン(I)からルテニウム錯体の電子供給過程が高速化されていることが確認され,このことが高活性化に寄与していることが明らかとなった。

最終的な触媒性能を示すターンオーバー頻度は1,960(毎時)に,外部量子収率は2.4%(420nmでの値)に達した。これらの値は,これまでに報告されてきた類似の光触媒系を大きく超え,世界最高値となった。

類似の層状HCa2Nb3O10を用いて同様の操作を行なっても高活性には至らず,ナノシートの活用が高活性化において不可欠であることもわかった。

この発見により,精密設計されたナノ材料を活用して光触媒材料を創出できる可能性が見えてきたという。さらにこの研究で得られた材料設計指針は,色素増感型光触媒の開発を大きく促進するとしている。

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