東京科学大など、光触媒性能を高速評価できる新手法を開発

東京科学大学と北陸先端科学技術大学院大学は、光触媒色素分解において評価速度を大幅に向上させ、最大1日約500サンプルのスループット解析が可能な手法を開発した（ニュースリリース）。

光触媒材料は主に、光吸収層の役割を果たす半導体と、生成した電荷の分離や表面反応速度を向上させる助触媒を組み合わせて構成される。これらはいずれも周期表の広い範囲に候補が存在し、さらに合成条件によって性能が大きく変化する。そのため、光触媒研究では、性能をどれだけ速く、かつ正確に評価できるかが研究加速の重要な鍵となる。

今回の研究では、光触媒の性能評価として広く利用されているメチレンブルー色素の分解反応を対象に、評価速度を大幅に向上させるためのマイクロプレート法を開発した。このマイクロプレートに対して、光照射と分光測定を交互に行う操作を繰り返し、色素分解の進行を時間分解で追跡できることを確認した。

これにより、光照射から分解量の測定までを一連で行なう光触媒性能評価の全過程を、96ウェル単位で複数枚同時に運用することで数百サンプル規模の同時処理が可能であることを実証した。さらに、色素濃度を変化させた実験により、反応の速度定数が光触媒量によって変化することを確認した。

また、この技術は従来の評価において労力と時間を要していた光触媒分離のステップを排除している。この排除により、色素の吸収と光触媒の吸収・散乱が重なることが懸念されていたが、詳細に調べた結果、両者が独立に入射光に対して応答する低濃度領域が存在し、その領域内では、色素の吸収量の変化を正確に捉えられることが明らかになった。

この技術は、光触媒研究における材料探索のスピード不足という大きな課題を根本から改善するものだという。まず、従来の仮説検証型研究や精密評価を、より多くの条件で並列に実施できるようになる。1回の実験で取得できるデータ点数を大幅に増やせるため、検証の精度向上や、従来の仮説では予想できなかった現象の発見につながる可能性がある。

また、周期表全体にわたるような広大な材料空間を対象とした探索が現実的になる。多くの候補材料を短時間で評価できるため、これまで手が届かなかった組み合わせにまで探索範囲を拡張できる。特に、同一の測定条件で多数の材料データを統一的に取得できる点は、実験データに基づくデータ駆動型研究において大きな利点となる。

研究グループは今後、この手法を実際に多様な光触媒・色素系への適用を進め、光触媒の大規模探索や反応メカニズムの体系化に貢献することを目指すとしている。