可視光で水素を効率生成、世界初の人工光合成触媒を開発：蓄電・発電機器

NEDOと人工光合成化学プロセス技術研究組合らは、単結晶窒化タンタル光触媒の開発に成功。太陽光の強度が高い波長領域を活用して水を分解できる、世界初の触媒だという。

[スマートジャパン]

今回開発した単結晶窒化タンタルの微粒子光触媒の電子顕微鏡写真 出典：NEDO

　新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）と人工光合成化学プロセス技術研究組合（ARPChem）は、東京大学、信州大学とともに、世界で初めてという、可視光領域で水を分解する窒化タンタル光触媒の開発に成功したと発表した。可視光領域の波長600nm（ナノメートル）近辺は、太陽光で最も強度が高い領域のため、効率的なエネルギー活用が期待される。

　NEDOは、環境に優しいモノづくりを目指し、太陽光のエネルギーで水から生成した水素と工場などから排出されるCO2を合成して、プラスチック原料などの基幹化学品（C2〜C4オレフィン）製造プロセスを実現するための基盤技術開発に取り組んでいる。太陽光の強度のピークは主に可視光領域（400〜800nm）にあるため、光触媒がこの波長域の光を吸収して水を分解できれば、効率よく太陽光のエネルギーを利用できる。

　しかし、従来の光触媒は、吸収波長が主として紫外光領域（〜400nm）に限られるものが多く、可視光領域から赤外光領域の光を利用できるように、光触媒の吸収波長を長波長化することが課題の一つだった。

　今回開発した光触媒は、窒化タンタルと呼ばれる化合物から構成される。窒化タンタルは400〜600nmまでの波長範囲の可視光を吸収し、水を水素と酸素に分解することが可能なバンド構造を有することが2000年ごろに判明した。しかし、従来の合成手法では原料の酸化物をアンモニア気流中で長時間加熱していたために、良質な窒化物微粒子の合成が困難で、窒化タンタル光触媒を用いた水分解は実現できなかった。そこで研究チームは、既存の窒化物合成手法とは異なる原料の選定と合成条件の研究を進めてきた。

　今回、複合酸化物（タンタル酸カリウム、KTaO3）微粒子を従来の10分の1以下の短時間で窒化することで、複合酸化物微粒子上に単結晶の窒化タンタル微粒子を直接形成し、さらに水素生成反応を促進する助触媒を担持させた。これにより、窒化物微粒子が高品位化して光励起された電子と正孔を水分解反応に有効利用することが可能となり、今回の窒化物微粒子光触媒の開発につながった。

単結晶窒化物微粒子の合成　出典：NEDO

　この光触媒は水中に分散することで、400〜600nmまでの波長範囲の可視光、および疑似太陽光を吸収して水を分解することができる。また、これを基板に固定化すれば、光触媒パネル反応器に組み込んで利用可能だ。

　今後は、窒化タンタル光触媒の合成手法の改良や、酸窒化物（酸化物イオンと窒化物イオンが共存する化合物）や酸硫化物（酸化物イオンと硫化物イオンが共存する化合物）などの異なる材料への展開を通じて水分解用微粒子光触媒の機能改良を推進。太陽光を使って製造する水素と、工場などから排出されるCO2を利用して化学品を製造するプロセスの実現に向けた研究開発の加速につなげる。