2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Infrared-light responsive photocatalyst for the usage of untapped solar energy
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18H01827
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
坂本 雅典 京都大学, 化学研究所, 准教授 (60419463)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 克彰 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 特任講師 (30433874)
田中 晃二 京都大学, 高等研究院, 特任教授 (00029274)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 赤外光 / 光電変換 / 光触媒 / プラズモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽エネルギーのおよそ半分を占める赤外域の太陽光の有効利用の実現は、現代社会に眠る新たなエネルギー資源の発見に相当する。また、現行の太陽光利用研究は可視光を対象としているため、自然のエネルギー生産システムである光合成と競合してしまいますが、赤外光は自然と競合しないため、真に自然と共存したエネルギー変換を実現することができる。
本研究期間においては、赤外域に局在表面プラズモン共鳴（LSPR : Localized Surface Plasmon Resonance）を示すCu7S4（硫化銅）ナノ粒子と硫化カドミウムナノ粒子を連結させたヘテロ構造ナノ粒子を合成し、その水素生成光触媒活性を評価した。この結果、硫化銅/硫化カドミウムヘテロ構造ナノ粒子が、波長1100 ナノメートルでの外部量子効率3.8％という世界最高の効率で赤外光から水素を生成できる光触媒であることを発見した。また、この赤外応答光触媒を利用することで、太陽光の最大波長である2500ナノメートルの光を用いて水素を生成することにも成功した。この事実は、新たに開発された赤外応答光触媒が、赤外域の太陽光のほぼすべてを高い効率でエネルギーに変換できることを示している。従来のプラズモン誘起電荷分離は、電荷分離によって生じた正孔（ホール）と電子の再結合による損失が大きな問題であったが、新たに開発した光触媒は、273 マイクロ秒という電荷分離寿命を示しました。これは、一般的なプラズモン誘起電荷分離の電荷分離寿命よりもはるかに長い寿命であり、長寿命の電荷分離が優れた触媒活性の原因であることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
全太陽エネルギーのおよそ半分を占める赤外域の太陽光の有効利用法の開発は、光合成や太陽発電などに匹敵する新たなエネルギー資源の開発に相当すると期待される。申請者は、研究期間中にヘビードープ半導体ナノ粒子の局在化表面プラズモン共鳴（LSPR）の励起に誘起される新しいキャリア移動機構を発見した。さらにはこの機構を応用することにより、3.8％という効率で赤外光から水素を生成できる赤外応答光触媒の開発に成功した。申請者の開発した触媒は、現時点で世界最高の効率を誇り、また、太陽光スペクトルの赤外域の光の完全使用を世界ではじめて可能にした。これらの研究成果はは、赤外光のエネルギー資源化においてカギを握る極めて重要なものであり、当初の計画以上に順調に研究が進んでいると言っても良い。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究機関においては、3.8％という世界最高の効率で赤外光から水素を生成できる赤外応答光触媒の開発に成功した。この研究成果は、赤外域の光を用いた光エネルギー変換材料、たとえば赤外応答光触媒や赤外光電変換材料といった革新的な材料の開発につながることが期待される。今後は、赤外光に応答する触媒の更なる性能向上とともに、共同研究者である田中先生、子簿やし先生との連携による触媒反応の多様化、および赤外光によるエネルギー変換機構の詳細な解明を進める予定です。
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