太陽光高効率利用のための水分解光触媒の開発

• 研究課題/領域番号: 16K06862
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 触媒・資源化学プロセス
• 研究機関: 信州大学 (2018); 東京大学 (2016-2017)
• 研究代表者: 高田 剛 信州大学, 先鋭領域融合研究群環境・エネルギー材料科学研究所, 特任教授 (80334499)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2017年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2016年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 光触媒 / 水分解 / 太陽光 / 水素製造 / 助触媒 / 半導体 / 太陽光エネルギー / 光電着法 / 耐久性 / 反応容器設計 / 酸窒化物 / 触媒調製 / 太陽光利用 / 反応器設計 / 複合体 / 触媒・化学プロセス / 水素 / エネルギー変換

研究成果の概要

本研究では太陽光を高効率で利用するための水分解光触媒系の開発を行った。太陽光の有効利用のために既存の水分解光触媒の量子収率向上、および応答波長域の広い材料を用いた水分解に挑戦した。既存のワイドギャップの化合物を用いた場合、量子収率100％近くまで向上させることができた。応答波長域の広い材料を用いた水分解系では新規な材料での水分解は達成できなかった。また、実際の太陽光利用を考慮した水分解反応容器開発にも取り組んだ。容易に実用化につながるようなシンプルでコンパクトなデザインを独自に開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

光触媒自身の開発においては、バンドギャップが大きく紫外光しか利用できないが、その範囲では上限レベルまで反応効率を上げることができた。水分解反応はその素過程の中で酸素生成が4電子反応あるために困難と考えられている。そのような反応において量子収率をほぼ100％に向上させ、そのために必要な触媒の構造と機能を明らかにしたことは当該研究者間でも関心の高い結果となる。

研究成果

• [雑誌論文] An Al-doped SrTiO3 photocatalyst maintaining sunlight-driven overall water splitting activity for over 1000h of constant illumination (2019)
  • 著者名/発表者名: Lyu Hao、Hisatomi Takashi、Goto Yosuke、Yoshida Masaaki、Higashi Tomohiro、Katayama Masao、Takata Tsuyoshi、Minegishi Tsutomu、Nishiyama Hiroshi、Yamada Taro、Sakata Yoshihisa、Asakura Kiyotaka、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 10 号: 11 ページ: 3196-3201
  • DOI: 10.1039/c8sc05757e
  • NAID: 120007113441
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Metal selenide photocatalysts for visible-light-driven Z-scheme pure water splitting (2019)
  • 著者名/発表者名: Chen Shanshan、Ma Guijun、Wang Qian、Sun Song、Hisatomi Takashi、Higashi Tomohiro、Wang Zheng、Nakabayashi Mamiko、Shibata Naoya、Pan Zhenhua、Hayashi Toshio、Minegishi Tsutomu、Takata Tsuyoshi、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 7 号: 13 ページ: 7415-7422
  • DOI: 10.1039/c9ta00768g
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Particulate Photocatalysts for Water Splitting: Recent Advances and Future Prospects (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Takata, K. Domen
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: 4 号: 2 ページ: 542-549
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.8b02209
  • 査読あり
• [雑誌論文] Overall water splitting by Ta3N5 nanorod single crystals grown on the edges of KTaO3 particles (2018)
  • 著者名/発表者名: Wang Zheng、Inoue Yasunobu、Hisatomi Takashi、Ishikawa Ryo、Wang Qian、Takata Tsuyoshi、Chen Shanshan、Shibata Naoya、Ikuhara Yuichi、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Nature Catalysis 巻: 1 号: 10 ページ: 756-763
  • DOI: 10.1038/s41929-018-0134-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Particulate Photocatalyst Water-Splitting Panel for Large-Scale Solar Hydrogen Generation (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Goto, T. Hisatomi, Q. Wang, T. Higashi, K. Ishikiriyama, T. Maeda, Y. Sakata, S. Okunaka, H. Tokudome, M. Katayama, S. Akiyama, H. Nishiyama, Y. Inoue, T. Takewaki, T. Setoyama, T. Minegishi, T. Takata, T. Yamada, K. Domen
  • 雑誌名: Joule 巻: 2 号: 3 ページ: 509-520
  • DOI: 10.1016/j.joule.2017.12.009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Efficient Photocatalytic Water Splitting Using Al-Doped SrTiO3 Coloaded with Molybdenum Oxide and Rhodium-Chromium Oxide (2018)
  • 著者名/発表者名: T. H. Chiang, H. Lyu, T. Hisatomi, Y. Goto, T. Takata, M. Katayama, T. Minegishi, K. Domen
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 8 号: 4 ページ: 2782-2788
  • DOI: 10.1021/acscatal.7b04264
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Overall water splitting by photoelectrochemical cells consisting of (ZnSe)0.85(CuIn0.7Ga0.3Se2)0.15 photocathodes and BiVO4 photoanodes (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Higashi, H. Kaneko, T. Minegishi, H. Kobayashi, M. Zhong, Y. Kuang, T. Hisatomi, M. Katayama, T. Takata, H. Nishiyama, T. Yamada, K. Domen
  • 雑誌名: Chem. Communication 巻: 53 号: 85 ページ: 11674-11677
  • DOI: 10.1039/c7cc06637f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Particulate photocatalysts for overall water splitting (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Chen, T. Takata, K. Domen
  • 雑誌名: Nature Reviews Materials 巻: 2 号: 10 ページ: 1705-1705
  • DOI: 10.1038/natrevmats.2017.50
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of non-oxide semiconductors as light harvesting materials in photocatalytic and photoelectrochemical water splitting (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Takata, K. Domen
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 46 号: 32 ページ: 10529-10544
  • DOI: 10.1039/c7dt00867h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Particulate photocatalyst sheets based on carbon conductor layer for efficient Z-scheme pure-water splitting at ambient pressure (2017)
  • 著者名/発表者名: Q. Wang, T. Hisatomi, Y. Suzuki, Z. Pan, J. Seo, M. Katayama, T. Minegishi, H. Nishiyama, T. Takata, K. Seki, A. Kudo, T. Yamada, K. Domen
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 号: 4 ページ: 1675-1683
  • DOI: 10.1021/jacs.6b12164
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photocatalyst Sheets Composed of Particulate LaMg1/3Ta2/3O2N and Mo-Doped BiVO4 for Z-Scheme Water Splitting under Visible Light (2016)
  • 著者名/発表者名: Z. Pan, T. Hisatomi, Q. Wang, S. Chen, M. Nakabayashi, N. Shibata, C. Pan, T. Takata, M. Katayama, T. Minegishi, A. Kudo, and K. Domen
  • 雑誌名: ACS Catal. 巻: 6 号: 10 ページ: 7188-7196
  • DOI: 10.1021/acscatal.6b01561
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoreduced Graphene Oxide as a Conductive Binder to Improve the Water Splitting Activity of Photocatalyst Sheets (2016)
  • 著者名/発表者名: Pan Zhenhua, Hisatomi Takashi, Wang Qian, Chen Shanshan, Iwase Akihide, Nakabayashi Mamiko, Shibata Naoya, Takata Tsuyoshi, Katayama Masao, Minegishi Tsutomu, Kudo Akihiko, Domen Kazunari
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 26 ページ: 7011-7019
  • 査読あり
• [学会発表] 限界量子収率での水分解実証例 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高田剛、姜君哲、酒多喜久、堂免一成
  • 学会等名: 日本化学会 第99春季年会
• [学会発表] 大面積展開を指向したソーラー水分解光触媒システムの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高田剛、堂免一成
  • 学会等名: 第48回石油・石油化学討論会
• [学会発表] ソーラー水分解光触媒パネルのコンパクトデザイン (2018)
  • 著者名/発表者名: 高田剛、久富隆史、片山正士、西山洋、秋山誠治、堂免一成
  • 学会等名: 第122回触媒討論会
• [学会発表] 大規模展開を指向したソーラー水分解光触媒パネルの作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高田 剛・後藤 陽介・久富隆史・片山正士・西山洋・秋山誠治・井上泰宣・堂免一成
  • 学会等名: 第120回触媒討論会
• [学会発表] Photocatalytic Water Splitting on (Oxy)nitride Semiconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Takata, Kazunari Domen
  • 学会等名: 12th International Congress on Nitride Semiconductors
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フラックス法によるAlドープSrTiO3水分解光触媒の高活性化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 後藤陽介、ワンチェン、久富隆史、石桐山巧樹、酒多喜久、片山正士、高田剛、嶺岸耕、山田太郎、堂免一成
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年回
  • 発表場所: 慶應義塾大学日吉キャンパス
• [学会発表] LaMg1/3Nb2/3O2Nの合成と水分解活性の検討 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石塚大策、久富隆史、高田剛、片山正士、嶺岸耕、堂免一成
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年回
  • 発表場所: 慶應義塾大学日吉キャンパス
• [学会発表] Ta系ペロブスカイト型酸窒化物光触媒の水分解活性に対する表面修飾の効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本寛也、小寺正徳、久富隆史、高田剛、片山正士、嶺岸耕、堂免一成
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年回
  • 発表場所: 慶應義塾大学日吉キャンパス