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» 2017年04月13日 07時00分 UPDATE

蓄電・発電機器:光触媒のエネルギー効率を7倍以上に、太陽光を使う水素製造のブレイクスルーか (1/2)

神戸大学と大阪大学の研究グループは、光触媒作用により高効率に水素生成量が行える光触媒の開発に成功したと発表した。材料にメソ結晶化というプロセスを加えることで、従来は1%に満たなかったエネルギー変換効率を7%まで高めることに成功した。高効率な太陽光による水素製造の実現に向けたブレークスルーとなる成果だという。

[陰山遼将,スマートジャパン]

 太陽光を利用して水素を製造できる光触媒の研究開発が活発だ。再生可能エネルギーと水から、次世代のエネルギー源として注目されている水素を製造できる新手法として期待されている。課題は変換効率の向上だ。

 神戸大学 分子フォトサイエンス研究センターの立川貴士准教授らと、大阪大学 産業科学研究所の真嶋哲朗教授らの研究グループは、光触媒作用による水素生成量が“1桁増加”する高効率な光触媒の開発に成功したと発表した。高効率な太陽光による水素製造の実現に向けたブレークスルーとなる成果だという。

メソ結晶化で実現

 光触媒は光を照射すると触媒表面に電子と正孔が生成される。この電子が水の水素イオンを還元することで水素が得られるという仕組みだ。これまでに多くの光触媒が開発されているが、研究グループによれば生成した電子と正孔の多くが光触媒表面で再結合し、消失してしまうため、光エネルギーの変換効率が伸び悩んでいた。

 今回研究グループは粒子の配列を三次元的に制御し、電子と正孔を空間的に引き離す「メソ結晶化技術」の開発に成功した。これが変換効率の大幅な向上に寄与している。

 メソ結晶とは、ナノ粒子が規則正しく三次元的に配列した結晶性の超構造体のこと。数百nm〜μmのサイズで、ナノ粒子間の空隙に由来する2〜50nmの細孔を持つ。だがメソ結晶の合成手順は複雑な場合が多く、形状の制御も難しいという課題があった。

 そこで研究グループはメソ結晶に存在するnmスケールの空間を利用した「トポタクティックエピタキシャル成長」という新しい合成法を開発した。この合成法により、テンプレートとなる酸化チタン(TiO2)のメソ結晶から、結晶構造の異なるチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)メソ結晶を、1段階の水熱反応で容易に合成することに成功した。加えて反応時間を長くすることで、表面近くの粒子だけを結晶の向きをそろえたまま大きく成長させられることを発見した。

トポタクティックエピタキシャル成長によるSrTiO3の合成イメージ 出典:JST
SrTiO3メソ結晶の構造。(a)24時間の水熱反応時間で得られたSrTiO3メソ結晶。数十nmの結晶が向きをそろえて配列している。(b)48時間の水熱反応時間で得られたSrTiO3メソ結晶。表面のナノ結晶は数百nmまで成長している 出典:JST
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