色素増感型光電極による太陽光を利用したバイオ廃棄物からの水素製造

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K12260
• 研究機関: 群馬大学
• 研究代表者: 岩本 伸司 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (50252482)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 色素増感光電極 / 水素生成 / 半導体ナノ粒子

研究実績の概要

色素増感光電極は高性能の光電変換素子として注目されているが，これを水の分解による水素製造に用いた研究は極めて少ない。これは電極剤の酸化チタンの伝導帯準位が水素生成準位に比べわずかに高いだけで十分ではないこと，また水存在下では増刊色素が酸化チタン表面から脱離しやすいことの2つの問題があるためと考えられる。本研究では，高い伝導帯準位を持つ酸化物半導体を合成し，これに耐久性の高い有機増感色素を結合させた高電位・高耐水生の色素増感光電極を作製し，その可視光照射下での水素生成能について調べる。また本反応系をグリセリンを含む水溶液に適用し，さらに電極触媒を組み込むタンデム型セルとすることで廃液処理とエネルギー変換を同時に行う高効率の水素エネルギー製造システムを構築し，その有効性について検討する。
平成27年度は，高い伝導帯準位を持つ新規な酸化物半導体ナノ粒子の作製について検討を行った。これまでにチタンアルコキシドと少量の酢酸マグネシウムを1, 4‐ブタンジオールに加え，オートクレーブ中で加熱処理すること（ソルボサーマル処理）で通常の酸化チタンに比べ，高い伝導帯準位を持つMg修飾酸化チタンナノ粒子が得られることも見出しているが，本研究ではチタンアルコキシドと少量のタンタルアルコキシドをソルボサーマル処理することでTa修飾酸化チタンナノ粒子の合成について検討し，Ta修飾により吸収端が短波長側にシフトした高電位型の半導体ナノ粒子が得られることを見出した。また，種々の増感色素を吸着させたPt担持酸化チタンナノ粒子の分散液にトリエタノールを添加し，可視光照射下での水素生成特性について調べた結果，種々の色素で水素の生成が確認されること，とくにカルボン酸基を2つ有する増感色素を用いた場合，高い水素生成特性が得られることを見出した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成27年度は，高い伝導帯準位を持つ新規な酸化物半導体ナノ粒子の作製について検討する計画であり，これについてはチタン源を少量のTa源とともに有機溶媒中で加熱処理することで高電位型のTa修飾酸化チタン半導体が得られることを見出している。また，色素増感型光電極触媒による水素生成については，Pt担持方法や水素生成特性の評価法を確立することができ，これらをもとに種々の色素について検討した結果，カルボン酸基を2個有する増感色素が安定した水素生成能を示すことを見出しており，以上のことより研究はおおむね順調に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

今後の研究の推進方策としては，まず，得られたTa修飾酸化チタンナノ粒子の物性については詳しく調べる計画である。また，さらに高性能な半導体ナノ粒子の作製についても引き続き検討を行い，特性の向上を目指す。一方，得られた半導体ナノ粒子を用いた色素増感光電極の水素生成特性については，通常の酸化チタンナノ粒子を用いた場合や従来型のRu錯体色素を用いた場合との比較を行い，本研究で作製した新規な光増感電極の特徴をより詳細に調べる計画である。