CNTで光触媒の活性範囲拡大成功 =岡山大学大学院・高口豊准教授ほか

岡山大学大学院の高口豊准教授、田嶋智之講師、山口大学東京理科大学ほかからなる研究チームは、光触媒を活用する水分解・人工光合成研究で、カーボンナノチューブ(CNT)を利用した新たな技術を開発した。

[画像・上:本研究で開発された、カーボンナノチューブ光触媒を利用した水素製造(提供:岡山大学・高口豊准教授)]

研究の一部は、岡山県特別電源所在県科学技術振興事業の研究委託、(独法)日本学術振興会(JSPS)科研費の助成を受けて実施された。

水電解を行う光触媒研究では、二酸化チタンTiO2を材料とすることが多い。TiO2は、太陽光波長域の400nm以下、紫外線域でしか触媒活性が示されない。

さらに現在、人工光合成研究における光触媒開発では、水素発生用と酸素発生用の2種類の光触媒を用いた2段階光励起の手法であるZスキームが注目されている。自然界の植物の光合成プロセスと同じ励起の構造だが、現状の研究においては、2種類の光触媒は吸収波長が重なっており、光エネルギーを奪い合う形になってしまう。

触媒活性が得られる波長域の狭さを解消する材料として、CNTの持つ可視~近赤外領域までの吸収波長の広さは従来から注目されていた。しかしCNTは、光エネルギーを得て励起した電子と価電子帯中の正孔とがクーロン引力によって対に繋ぎ止められる力=励起子束縛エネルギーが大きい。そのため電子が自由電子となって伝導帯に移りづらい、つまり得られた光エネルギーを電気エネルギーに変換することが難しかった。

本研究チームは今回、単層CNT、フラロデンドロン、プラチナからなる複合材を開発。これを光触媒とすることで、近赤外域(~1,300nm)の光にも触媒反応を示し、水素を製造できることを示した。

高口准教授らは、C60フラーレンを組み込んだ光触媒構造の高効率性を従来から提唱していた。CNTとフラーレンがp-n接合となり、触媒活性を向上させる仕組みだ。

これまでは入手できるCNTの品質に問題があり、その実現を阻んでいた。しかし昨今のCNT製造技術の向上により、狙った特性を持つCNTが入手できるようになってきているという。今回の開発によって、研究チームの理論が実験的に達成された。

活性波長が400nm以下の光触媒では太陽光エネルギーのうち利用できるのは2%。これを600nmまで拡げると16%、800nmまで拡げると32%にまでなると言われている。本研究によって1,300nmまでの波長も使えることができるようになれば、太陽光の全波長のうち88%になる。使える波長をここまで拡げることで、太陽光エネルギーから水素と酸素を作る変換効率を50%にまで高めることも可能になってくるという。

太陽光の波長とエネルギーの関係(提供:岡山大学・高口豊准教授)

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