ほぼ100%の量子収率で水を分解する半導体光触媒を開発――太陽光エネルギー変換効率向上に期待 NEDOら

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新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は2020年5月29日、NEDOと人工光合成化学プロセス技術研究組合が信州大学らと共同で、100%に近い量子収率(光子の利用効率)で水を水素と酸素に分解する粉末状の半導体光触媒を開発したと発表した。

今回の開発は上記の他に、山口大学、東京大学、産業技術総合研究所との共同開発となる。また、NEDOによると同様の光触媒の開発は世界初となる。

NEDOでは、環境負荷の少ないものづくりを目指し、太陽光エネルギーで水から生成した水素(ソーラー水素)と工場などから排出されるCO2を利用して、プラスチック原料などの基幹化学品(エチレンやプロピレンなどのC2~C4オレフィン)製造プロセス実現のための基盤技術開発に取り組んでいる。

ソーラー水素の実用化のためには、その製造コストを大幅に下げるために、太陽光エネルギーの変換効率を向上させることが必要だ。その実現には光触媒による水分解において、応答する光の波長範囲を広げることと、各波長における量子収率を高めることの2つの要素がある。

半導体光触媒による水の水素と酸素への分解は可逆的な光化学反応であり、再結合や逆反応などの機会が豊富にあるために反応効率が上がらず、これまで多くの場合が10%以下の量子収率で、50%以上でもわずか数例のみしか存在しない。

今回の開発では、代表的な酸化物光触媒SrTiO3(Alドープ)を用いたフラックス法によって粒子形状を制御。粒子の特定の結晶表面に水素生成助触媒と酸素生成助触媒を選択的に導入した。この構造では光により励起された電子と正孔の再結合などがほぼ完全に抑制されるため、吸収した光のほぼすべてが水分解反応に利用できる。

今回用いた光触媒SrTiO3は、ハンドギャップが大きいために紫外光しか吸収しない。そのため今後は、さらにハンドギャップが小さな可視領域の光を吸収する光触媒に応用して、より量子収率を高めていく必要がある。

今回開発した手法を光触媒開発に応用することで、太陽光エネルギー変換効率向上が期待できるという。またNEDOでは、今後引き続き光エネルギー変換効率向上を進め、人工光合成技術の早期実用化を目指す。

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