豊富・安価・低毒性な水分解光触媒物質を発見

JST 課題達成型基礎研究の一環として、NIMS 環境再生材料ユニットの阿部 英樹　主幹研究員と梅澤 直人　主任研究者らは、太陽光をエネルギー源として水から水素燃料を生成することができる新しい光触媒物質 : 4酸化3スズ (Sn₃O₄) を発見しました。

太陽光は究極の持続可能エネルギーですが、濃縮・輸送に適した化学エネルギー源 (= 燃料) の形態に直接変換する技術が確立されていないため、従来の化石燃料や核燃料を代替するには至っていません。

酸化チタン (TiO₂) を代表とする多くの水分解光触媒は、紫外線を吸収して水を分解し、水素燃料を生成することができますが、太陽光エネルギーの半分以上を占める可視光を吸収できないため、実際の太陽光エネルギー変換において利用することは困難でした。一方、可視光を吸収して水を分解することができる新しい光触媒材料の開発が世界規模で進められていますが、現行の材料の多くは高価なタンタルなどのレアメタルや毒性の高い鉛を高濃度に含んでいるため、コストや環境対応性の面で課題を抱えています。

今回、理論科学と実験科学の連携により新しい光触媒物質を発見しました。2価のスズ注1) イオン (Sn²⁺) を含む酸化物が可視光下での水分解光触媒反応に対して好ましい電子構造を持つ可能性があるという理論予測に基づき物質探索を行ったところ、2価のスズイオン (Sn²⁺) と4価のスズイオン (Sn⁴⁺) からなるスズ酸化物 : Sn₃O₄ (Sn²⁺₂Sn⁴⁺O₄) を見つけました。その結果、この物質はTiO₂が全く活性を示さない可視光照射下で、水分解反応を促進し水素を発生することが分かりました。

スズの酸化物は、毒性が低く、安価であり、豊富に存在するため、透明電導体の材料として広く利用されています。今回発見したSn₃O₄触媒は、水素燃料製造時の環境負荷やコストを抑えることができ、太陽エネルギーを基盤とする循環型社会の実現に大きく貢献するものと期待されます。

本研究成果は、米国化学会発行の『ACS　Applied　Materials　&　Interfaces』のオンライン版に近く掲載されます。