「常識はずれ」な光触媒を開発――太陽光で水と酸素から過酸化水素を高効率合成 大阪大学

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RF光触媒樹脂の吸収スペクトル

大阪大学は2019年7月2日、太陽光照射下で水と酸素ガス(O2)から過酸化水素(H2O2)を合成する新規光触媒として、レゾルシノール-ホルムアルデヒド(RF)光触媒樹脂を開発したと発表した。同大学によると今回の研究成果は、本来は絶縁体であるRF樹脂を半導体光触媒に用いた「常識はずれ」なものだという。

H2O2は漂白剤や消毒剤として使われる化学物質だ。酸化剤や還元剤として燃料電池発電の燃料にも利用できるため、近年は再生可能エネルギーの貯蔵・輸送を担うエネルギーキャリアとしても注目されている。

従来のH2O2合成では、水素ガス(H2)とO2を多段階で反応させる。対して光触媒反応では、太陽光エネルギーで水と酸素ガスからH2O2を製造する(H2O2+1/2O2→H2O2)ことが原理的には可能で、省エネルギープロセスとして期待されている。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。

そこで研究グループは、塗料や接着剤として用いられる汎用の合成高分子であるレゾルシノール-ホルムアルデヒド(RF)樹脂に着目。この樹脂を一般的な合成温度(~100℃)よりも高い温度(>200℃)で水熱合成し、RF光触媒樹脂を開発した。

開発した触媒は、600nmを超える長波長の光を吸収し、太陽エネルギー変換効率で0.5%以上の効率でH2O2を合成できる。この数値は、一般植物による天然光合成(~0.1%)を大幅に上回る。また、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だという。

さらに研究チームは、RF樹脂の光触媒活性が高温水熱合成で飛躍的に向上する原因も明らかにした。高温水熱法では、レゾルシノールのベンゼノイド体(電子ドナー)とキノイド体(電子アクセプター)が連結したドナーアクセプター(DA)対が形成され、これらが積み重なって半導体バンド構造を形成する。光触媒樹脂の価電子帯および伝導帯バンド準位は、それぞれ、水の酸化(2H2O→O2+4H+4e)と、O2の還元(O2+2H2e→H2O2)に適切な準位となる。また有機高分子ゆえに、生成したH2O2の分解には低活性だ。これらの特徴により、非常に高いH2O2合成活性が実現されるという。

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