太陽光による水素製造光触媒の開発

神戸大学や大阪大学の研究グループが、太陽光による水素生産用の効率の良い光触媒を開発したと発表しました。

水素は、再生可能エネルギーである太陽光と水から製造できるエネルギー源として注目されています。自動車も従来の石油燃料から電気自動車へと移行し、さらには水素利用の自動車へと進化すると言われています。

まだ電気とガソリンのハイブリッドがこういったタイプの車では主流のようですが、電気だけで走る車種も増えてきているようです。水素を燃料とするものは、水素をガソリンの代わりの燃料として走る水素自動車と、燃料電池をとして電気で走る燃料電池車が開発されているようですが、どちらもまだ先のような気がしています。

これは自動車の例ですが、その他多くの場所で水素をエネルギー源にする研究も進んでいます。この水素の製造方法としては水の電気分解がよく知られています。私はこの辺りはよく分かりませんが、電気を使ったのではたぶん採算が合わないと思われます。特に発電を火力発電が主なものでは、理論的にも水素を使う意味もないのでしょう。

今回の研究グループは、従来の光触媒が電子の放出と同時に生成する正孔といわれる部分が、触媒表面上で再結合して消失し、光エネルギー変換効率が伸びないという欠点を克服しました。電子と正孔を空間的に分離できる、光触媒の大きさや配列の均一性をあえて崩した、メソ結晶光触媒の合成方法を開発しました。

この辺りの正確な意味合いは無機化学の問題ですので、ほとんど理解できていないのですが、このメソ結晶というものがどういうものかは不明なままですが、従来非常に合成が難しいもののようです。この新しい合成法は名前がついているのですが、長いカタカナの羅列で何のことかわかりませんので省略します。

具体的には、テンプレートとなる酸化チタンメソ結晶（これは比較的簡単に合成できるようです）から結晶構造の異なるチタン酸ストロンチウムメソ結晶を、容易に１段階の水熱反応で合成することに成功しました。さらに反応時間を長くすることで、表面近くの粒子だけ、結晶の向きをそろえたまま大きく成長させることを見出したとしています。

合成した光触媒に助触媒を付着させ、水中で紫外線を照射したところ、約７％の光エネルギー変換効率で反応が進行し水素が発生することを確認できました。同じ条件でメソ結晶化していない光触媒では、効率は１％に満たないようで、約10倍効率が上がったとしています。

この技術を可視光に応用することで、太陽光での高い転換効率の水素生産が可能になるとしています。