北大，水素とナノファイバーを合成する光触媒を開発

北海道大学の研究グループは，金属錯体色素を複層化した光触媒ナノ粒子とアルコール酸化触媒分子を連動させることで，持続利用可能な資源であるセルロースからクリーンエネルギー源となる水素と高機能材料となるセルロースナノファイバー（CNF）を，環境負荷なく同時合成できる光触媒を開発した（ニュースリリース）。

近年深刻化する環境・エネルギー問題の解決に向けて，化石資源に変わる持続利用可能な炭素資源としてセルロースが注目を集めてきた。セルロースは地球上に最も豊富に存在するバイオマス資源だが，安定な構造を有しているため資源化には多大なコストが必要だった。

これを克服するために，無尽蔵な太陽光エネルギーを利用できる光触媒を用いた手法も開発されているが，環境負荷の高い反応条件が必要とされ，有用生成物まで光分解してしまう問題を抱えていた。

研究グループは，白金担持二酸化チタンナノ粒子の表面に，可視光を吸収する2種類の金属錯体色素を逐次積層することで，水素を生成する色素二層化光触媒DDSPを合成し，さらにセルロースを酸化する有機ラジカル触媒TEMPOを組み合わせることで，新しい光触媒PRCCを構築した。

さらに，ガスクロマトグラフィー法を用いた生成水素量の定量に機械学習に基づく系統的解析を組み合わせ，高活性な光触媒活性に要求される構造因子を特定した。赤外分光法と暗視野顕微鏡観察を併用することで，生成したCNFの構造やサイズも評価した。

セルロース粉末を分散させた水中におけるPRCCの水素生成光触媒活性は，金属錯体色素の担持条件に依存して最大90倍もの活性差が生じることが分かった。機械学習を活用した解析により，2種類の錯体色素の担持順序と二酸化チタンナノ粒子表面に直接結合する色素量が，活性を左右する支配因子であることが明らかとなった。

セルロース紙へDDSPを塗布すると，強アルカリ性にしなくても塗布した部分が水素を生成しながら光溶解し，溶出液にCNFが生成していることも突き止めた。さらに，市販の木質ペレットをセルロース源として用いた場合も，青色光照射によって水素が生成することも実証した。

研究グループは，これにより，従来は経験と試行錯誤に頼っていた複雑系光触媒の設計が，構造と機能の関係を科学的に把握しながら加速される道筋が示され，さらなる発展が期待されるとしている。