阪大,変換効率1%で水とO2からH2O2を作る光触媒

大阪大学の研究グループは,太陽光照射下,水とO2を原料として非常に高いH2O2生成活性を示す,ポリチオフェン含有レゾルシノール-ホルムアルデヒド光触媒樹脂(RF/P3HT)を開発した(ニュースリリース)。

H2O2は漂白剤や消毒剤として重要な化学物質であるほか,燃料電池発電の燃料として利用できるため,エネルギーキャリアとして注目を集めている。

従来,H2O2は,H2とO2を多段階で反応させるエネルギー多消費型プロセスにより合成されている。一方,光触媒反応では,太陽光エネルギーにより水とO2から合成する(H2O+1/2O2→H2O2,DG°=+117kJ mol–1)人工光合成型のH2O2製造が原理的には可能。

しかし,通常の光触媒では,水の四電子酸化(2H2O→O2+4H++4e)と,O2の選択的な二電子還元(O2+2H++2e→H2O2)を進めることは難しく,新しい光触媒の開発が求められていた。

研究グループは,これまで,レゾルシノール-ホルムアルデヒド(RF)樹脂,に着目してきた。RF樹脂は,本来は絶縁体だが,高温水熱法で合成することにより半導体光触媒となることを2019年に見出した。

さらに2020年には,RF樹脂を酸性条件で高温水熱合成することにより,太陽エネルギー変換効率0.7%という,これまでに報告された粉末光触媒による太陽エネルギー変換反応としては最大の効率でH2O2を生成することを見出した。

今回研究グループでは,RF光触媒樹脂の活性向上を目指した。汎用の導電性高分子であるポリチオフェン[P3HT: poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)]をドープすることにより,樹脂の導電性が飛躍的に向上し,太陽エネルギー変換効率1%の非常に高い効率でH2O2を生成することを見出した。

この樹脂は,酸性水溶液(pH~3)に,レゾルシノール,ホルムアルデヒド,P3HTを加えて高温水熱処理する簡単な方法により合成できるほか,3mm程度の取り扱いやすい球状粒子であるため,様々な加工により社会実装が期待できるという。また,今回の光触媒設計を応用して,さらに高活性なH2O2合成触媒の創製が期待できるとしている。

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