神大,赤錆光触媒で水素と過酸化水素を同時製造

神戸大学の研究グループは,赤錆(ヘマタイト)の光触媒作用によって,太陽光と水から水素ガスと有用化成品である過酸化水素を同時製造することに成功した(ニュースリリース)。

光触媒による太陽光と水からの水素生成は,実用化への目途とされている10%の効率を達成しても,水素コストは目標値に達しないという指摘があり,有用な化成品も同時に製造できる,高付加価値で競争力のある次世代型太陽光利活用システムが望まれている。

これまで研究グループは,光触媒の微粒子(数十nm)を精密に並べることで,電子と正孔の流れを制御する「メソ結晶技術」を開発してきた。最近では,この技術を赤錆として知られるヘマタイトに適用し,光エネルギー変換効率の大幅向上に成功している。

研究グループは今回,従来,過酸化水素の生成には適していなかったヘマタイトの表面をスズとチタンを含む複合酸化物で被覆することで,水素と過酸化水素が極めて高い効率と選択性で生成されることを見出した。

光触媒反応における効率低下の主要因は,光照射によって生成した電子と正孔が基質分子(この研究では水)と反応する前に再結合してしまうことにある。研究グループは,光触媒粒子の配向を揃えて三次元構造化した「メソ結晶」をソルボサーマル法によって合成し,さらに,メソ結晶を導電性ガラス上に集積・焼成することで,導電性と水分解性能に優れたメソ結晶光触媒電極を作製した。

通常,ヘマタイトを用いた光触媒水分解では,水の酸化によって酸素が生成される。このヘマタイトにスズイオン(Sn2+)とチタンイオン(Ti4+)をドーピングし,700℃で焼成すると,スズ,チタンの順に粒子表面に偏析し,過酸化水素生成に高い選択性を有する複合酸化物(SnTiOx)助触媒が形成された。

擬似太陽光の照射下,光触媒電極に電圧を印加したところ,水分解反応が進行した。水素の生成量に対応する光電流密度と過酸化水素の選択性を示すファラデー効率を調べたところ,異種金属イオンをどちらか1種類のみドーピングした場合は,水素と過酸化水素の生成に得手不得手があることがわかった。

一方,Sn2+とTi4+の両方をドーピングしたヘマタイトでは,高い効率と選択性で水素と過酸化水素を同時に生成している。また,第一原理計算から,ヘマタイト上に形成されたSnTiOx助触媒の構造として,数ナノメートルのSnO2/SnTiO3層が示唆されたという。

研究グループは今後,光触媒電極の更なる高効率化と太陽光水素・過酸化水素オンサイト製造システムの開発を進めるとともに,他の金属酸化物や反応系への応用展開を図るとしている。

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