水素の大量製造を可能にする光触媒の理論設計に成功

太陽光を利用して水から水素を取り出す技術の促進に期待

2013.01.22

独立行政法人物質・材料研究機構
独立行政法人科学技術振興機構

NIMS 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点梅澤直人主任研究員らの研究グループは、太陽光を利用して水から水素を生成できる光触媒の理論設計に成功した。

概要

独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (拠点長 : 青野正和) 、梅澤直人主任研究員、葉金花ユニット長、レルンチャンパクプン博士研究員、オウヤンシュシン博士研究員らの研究グループは、太陽光を利用して水から水素を生成できる光触媒の理論設計に成功した。
光触媒の開発は、研究者の直感に基づいて進められてきたため、系統的に活性を向上させることが困難であった。それゆえ、見通しよく開発を進めるための設計指針の構築が待たれている。計算機を用いた模擬実験を実施することで有望な材料を選定し、理論主導で開発を進める試みが世界中でなされているが、成功例は少ない。
チタン酸ストロンチウム (SrTiO₃) は光触媒としての応用が期待されているが、太陽光の大部分を占める可視光を吸収できない。そこで、Crなどの遷移金属をドープすることで可視光吸収を増幅する試みがなされている。近年、遷移金属の価数を安定化するために他の元素を共ドープする研究が進められているが、ドープ種の選定に明確な指針が存在しない。
今回、計算科学を駆使して様々な元素とCrを共ドープした場合の電子状態の変化から最適な組み合わせを検討した。その結果、SrTiO₃中に伝導電子を生成する能力の高いLaをCrと共にドープした場合に最も活性が高くなることが予測された。実際、この材料の水素発生効率が高いことが実験的に確認され、理論の正当性が実証された。
水素は環境に優しいエネルギー源として期待されており、効率的に水素を製造できる技術の開発が待たれている。本研究から、光触媒の開発に理論設計が有効であることが実証され、更に活性の高い材料の開発に向けて新たな道を切り開いた。環境・エネルギー問題の解決に大きく貢献できるものと期待される。
本研究成果の一部は、JST戦略的創造研究推進事業個人型研究 (さきがけ) 「元素戦略と新物質科学」研究領域 (研究総括 : 細野秀雄東京工業大学教授) における研究課題「ユビキタス元素を用いた高活性光触媒の開発」 (研究者 : 梅澤直人) の一環として得られたもので、英国の科学雑誌「Journal of Materials Chemistry A」で近日中に公開される。

プレス資料中の図1 : フェルミ準位の位置がCrの価数と光触媒活性に与える影響。　(a)フェルミ準位が低いときには、高価数Crに起因する非占有軌道が光励起電子を捕獲するため活性が低下する。(b)フェルミ準位を高くして非占有準位を取り除く (低価数Crを安定化する) ことで、水分解反応が促進される。