光強度が大きい可視光でCO2を分解、カーボンナノチューブを利用した光触媒を開発 名工大

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名古屋工業大学は2021年5月13日、単層カーボンナノチューブを利用して地球温暖化ガスである二酸化炭素を分解する光触媒を開発したと発表した。太陽光の中でも光強度が大きい可視光を有効に利用できるという。

開発した太陽光CO2還元触媒は、単層カーボンナノチューブ上に可視光を効率よく吸収できるヨウ化物(AgI)と二酸化炭素を効率よく還元するヨウ素酸化合物(AgIO3)の微結晶をそれぞれ均一に分散担持させたものだ。しかしAgIO3はバンドギャップが大きく、可視光を効率よく利用できないという問題がある。ギャップが小さく可視光を吸収できるヨウ化銀(AgI)と組み合わせることでこの問題を解決する手法が知られていたものの、両者の接合法が確立しておらず、合成法も複雑だった。

名古屋工業大学大学院工学研究科の川崎晋司教授らの研究グループは今回、ヨウ素分子を内包した単層カーボンナノチューブを硝酸銀水溶液に浸漬するという簡単な方法でこの問題を解決。合成コストを抑えられるため、広い範囲で実用化できる可能性がある。

光触媒を開発する上で課題となったのは、水に不溶なヨウ素をいかに効率よく反応させるか、生成したヨウ素酸銀とヨウ化銀の結晶成長を抑え微結晶とするか、そして2種の微結晶の接続をどう解決するかという3点。これらすべてナノチューブに内包したヨウ素により解決できたと説明している。

通常のヨウ素とは異なり、ナノチューブの中のヨウ素は化学的に活性で、水に不溶であっても反応したと分析。それを応用し、中性のヨウ素を銀イオンと反応させ、ヨウ素の不均化反応でヨウ素酸銀とヨウ化銀の同時生成に成功した。また、ナノチューブの中から反応物を供給し、供給速度を低下させたことで、結晶成長を抑制し微結晶化することも可能となった。2種の微結晶の接続は、ナノチューブに2種の微結晶を分散担持させることで解決したという。

この手法で合成した光触媒複合体に、ソーラーシミュレーターで擬似太陽光を照射したところ、CO2をCOに0.18μmol/(g·h)の効率で還元。少なくとも72時間は、性能に大きな劣化がないことが確認できた。

ナノチューブを複合化しているため、絶縁性の透明高分子の上にこの光触媒複合体を塗布するだけでフレキシブル透明光触媒電極を作製できて、さまざまな場所に設置できる。地球温暖化ガスとして問題になっているCO2を削減するデバイスへの応用が期待できる。

今後は単層カーボンナノチューブの電子状態制御やヨウ素酸銀とヨウ化銀の結晶サイズの制御などにより、光触媒性能のさらなる向上を目指す考えだ。この光触媒を使用し、水から水素を生成する太陽光水素生成へ展開することも可能なのではないかと見込んでいる。

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