高効率水分解光触媒シートの開発とその原理の確立

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02417
• 研究機関: 信州大学
• 研究代表者: 堂免 一成 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, 特別特任教授 (10155624)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: エネルギー変換プロセス / 光触媒 / 水分解 / 人工光合成

研究実績の概要

研究代表者は種々の水分解用半導体光触媒粉末を導電性材料等に平面状に固定化した「光触媒シート」に加工すると、水分解反応の効率が飛躍的に向上することを見出している。現状、太陽エネルギーから水素エネルギーへの変換効率（STH）はほぼ1%であるが、本研究課題により、STHが5%を実現できる「光触媒シート」の開発を行うとともに、「光触媒シート」の作動原理を厳密に解明することにより、人工光合成の大規模実現に向けて確固たる学術的指針を確立することを目的とする。
平成30年度は「光触媒シート」作動原理解明および太陽エネルギー変換効率向上を目指し、主として下記の課題に取り組んだ。
水素生成光触媒と酸素生成光触媒を結びつける導電性材料は両者とオーミックな接合をしていることが理想的と考えられる。しかし、現実にそのような接合を形成することは不可能である。そこで、個々の光触媒だけを固定化したシートを用いて電気化学的な検討を行い、シート作製前に光触媒粒子に表面修飾を施す事が有効であることを見出した。その結果、水素生成光触媒、酸素生成光触媒共に、波長600 nmまでの長波長の光を利用可能な非酸化物光触媒のみからなるシートを用いて可視光水分解反応を進行させることが可能となった。
従来の光触媒シートは真空プロセスである粒子転写法を用いて光触媒粉末を導電性材料に固定化していたが、プロセスのスケールアップやコストに課題があった。研究代表者はインジウム錫酸化物（ITO）コロイドを光触媒粉末と混合してインクを作製し、これを基板に塗布後に焼成することで、真空プロセスを用いずに大面積展開可能で、大気圧下で水を水素と酸素に高効率に分解する光触媒シートを開発した。ITOは仕事関数が大きく、逆反応に不活性であり、可視域で透明であるために塗布プロセスによる光触媒シートの作製に適していることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Cambridge/Imperial College London(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Cambridge/Imperial College London
• [国際共同研究] Univ. Sci. Tech. China/Anhui University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Univ. Sci. Tech. China/Anhui University
• [国際共同研究] National United University, Taiwan(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National United University, Taiwan
• [雑誌論文] Revealing the role of the Rh valence state, La doping level and Ru cocatalyst in determining the H2 evolution efficiency in doped SrTiO3 photocatalysts (2019)
  • 著者名/発表者名: Murthy Dharmapura H. K.、Matsuzaki Hiroyuki、Wang Qian、Suzuki Yohichi、Seki Kazuhiko、Hisatomi Takashi、Yamada Taro、Kudo Akihiko、Domen Kazunari、Furube Akihiro
  • 雑誌名: Sustainable Energy & Fuels 巻: 3 ページ: 208～218
  • DOI: 10.1039/C8SE00487K
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient hydrogen evolution on (CuInS2)x(ZnS)1-x solid solution-based photocathodes under simulated sunlight (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhao Jiao、Minegishi Tsutomu、Kaneko Hiroyuki、Ma Guijun、Zhong Miao、Nakabayashi Mamiko、Hisatomi Takashi、Katayama Masao、Shibata Naoya、Yamada Taro、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 55 ページ: 470～473
  • DOI: 10.1039/C8CC08623K
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effects of annealing barium niobium oxynitride in argon on photoelectrochemical water oxidation activity (2019)
  • 著者名/発表者名: Seo Jeongsuk、Nakabayashi Mamiko、Hisatomi Takashi、Shibata Naoya、Minegishi Tsutomu、Katayama Masao、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 7 ページ: 493～502
  • DOI: 10.1039/C8TA09950B
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regression model for stabilization energies associated with anion ordering in perovskite-type oxynitrides (2019)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Masanori、Fujii Mikiya、Hisatomi Takashi、Yamashita Koichi、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Journal of Energy Chemistry 巻: 36 ページ: 7～14
  • DOI: 10.1016/j.jechem.2019.01.012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visible‐Light‐Driven Photocatalytic Z‐Scheme Overall Water Splitting in La5Ti2AgS5O7‐based Powder‐Suspension System (2019)
  • 著者名/発表者名: Song Zhimin、Hisatomi Takashi、Chen Shanshan、Wang Qian、Ma Guijun、Li Shikuo、Zhu Xiaodi、Sun Song、Domen Kazunari
  • 雑誌名: ChemSusChem 巻: 12 ページ: 1906～1910
  • DOI: 10.1002/cssc.201802306
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An Al-doped SrTiO3 photocatalyst maintaining sunlight-driven overall water splitting activity for over 1000?h 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 ページ: 3196～3201
  • DOI: 10.1039/c8sc05757e
  • 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 ページ: 7415～7422
  • DOI: 10.1039/C9TA00768G
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reaction systems for solar hydrogen production via water splitting with particulate semiconductor photocatalysts (2019)
  • 著者名/発表者名: Hisatomi Takashi、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Nature Catalysis 巻: 2 ページ: 387～399
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-019-0242-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plate-like Sm2Ti2S2O5 Particles Prepared by a Flux-Assisted One-Step Synthesis for the Evolution of O2 from Aqueous Solutions by Both Photocatalytic and Photoelectrochemical Reactions (2018)
  • 著者名/発表者名: Ma Guijun、Kuang Yongbo、Murthy Dharmapura H. K.、Hisatomi Takashi、Seo Jeongsuk、Chen Shanshan、Matsuzaki Hiroyuki、Suzuki Yohichi、Katayama Masao、Minegishi Tsutomu、Seki Kazuhiko、Furube Akihiro、Domen Kazunari
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 ページ: 13492～13499
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b12087
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient Redox-Mediator-Free Z-Scheme Water Splitting Employing Oxysulfide Photocatalysts under Visible Light (2018)
  • 著者名/発表者名: Sun Song、Hisatomi Takashi、Wang Qian、Chen Shanshan、Ma Guijun、Liu Jingyuan、Nandy Swarnava、Minegishi Tsutomu、Katayama Masao、Domen Kazunari
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 8 ページ: 1690～1696
  • DOI: 10.1021/acscatal.7b03884
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Particulate Photocatalyst Water-Splitting Panel for Large-Scale Solar Hydrogen Generation (2018)
  • 著者名/発表者名: Goto Yosuke、Hisatomi Takashi、Wang Qian、Higashi Tomohiro、Ishikiriyama Kohki、Maeda Tatsuya、Sakata Yoshihisa、Okunaka Sayuri、Tokudome Hiromasa、Katayama Masao、Akiyama Seiji、Nishiyama Hiroshi、Inoue Yasunobu、Takewaki Takahiko、Setoyama Tohru、Minegishi Tsutomu、Takata Tsuyoshi、Yamada Taro、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Joule 巻: 2 ページ: 509～520
  • DOI: 10.1016/j.joule.2017.12.009
  • 査読あり
• [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: Chiang Tzu Hsuan、Lyu Hao、Hisatomi Takashi、Goto Yosuke、Takata Tsuyoshi、Katayama Masao、Minegishi Tsutomu、Domen Kazunari
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 8 ページ: 2782～2788
  • DOI: 10.1021/acscatal.7b04264
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shifting the NIR into the UV-blue: Up-conversion boosted photocatalysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Acosta-Mora P.、Domen K.、Hisatomi T.、Lyu H.、Mendez-Ramos J.、Ruiz-Morales J.C.、Khaidukov N.M.
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: 83 ページ: 315～320
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.06.025
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Stable Hydrogen Production from Water on an NIR-Responsive Photocathode under Harsh Conditions (2018)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Hiroyuki、Minegishi Tsutomu、Higashi Tomohiro、Nakabayashi Mamiko、Shibata Naoya、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Small Methods 巻: 2 ページ: 1800018～1800018
  • DOI: 10.1002/smtd.201800018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Se Incorporation in La5Ti2CuS5O7 by Annealing on Physical Properties and Photocatalytic H2 Evolution Activity (2018)
  • 著者名/発表者名: Nandy Swarnava、Hisatomi Takashi、Sun Song、Katayama Masao、Minegishi Tsutomu、Domen Kazunari
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 11 ページ: 5595～5601
  • DOI: 10.1021/acsami.8b02909
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient Solar-Driven Water Oxidation over Perovskite-Type BaNbO2N Photoanodes Absorbing Visible Light up to 740 nm (2018)
  • 著者名/発表者名: Seo Jeongsuk、Hisatomi Takashi、Nakabayashi Mamiko、Shibata Naoya、Minegishi Tsutomu、Katayama Masao、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 8 ページ: 1800094～1800094
  • DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.201800094
  • 査読あり
• [雑誌論文] La5Ti2Cu0.9Ag0.1S5O7 Modified with a Molecular Ni Catalyst for Photoelectrochemical H2 Generation (2018)
  • 著者名/発表者名: Rosser Timothy E.、Hisatomi Takashi、Sun Song、Anton‐Garcia Daniel、Minegishi Tsutomu、Reisner Erwin、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 24 ページ: 18393～18397
  • DOI: 10.1002/chem.201801169
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Particulate photocatalyst sheets based on non-oxide semiconductor materials for water splitting under visible light irradiation (2018)
  • 著者名/発表者名: Hisatomi Takashi、Yamamoto Takahiro、Wang Qian、Nakanishi Takahiro、Higashi Tomohiro、Katayama Masao、Minegishi Tsutomu、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Catalysis Science & Technology 巻: 8 ページ: 3918～3925
  • DOI: 10.1039/C8CY00860D
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observation of hydrogen bubble generation on photocatalyst particles by in situ electron microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Daio Takeshi、Narita Ichihito、Nandy Swarnava、Hisatomi Takashi、Domen Kazunari、Suganuma Katsuaki
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 706 ページ: 564～567
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2018.05.081
  • 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 ページ: 756～763
  • DOI: 10.1038/s41929-018-0134-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Printable Photocatalyst Sheets Incorporating a Transparent Conductive Mediator for Z-Scheme Water Splitting (2018)
  • 著者名/発表者名: Wang Qian、Okunaka Sayuri、Tokudome Hiromasa、Hisatomi Takashi、Nakabayashi Mamiko、Shibata Naoya、Yamada Taro、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Joule 巻: 2 ページ: 2667～2680
  • DOI: 10.1016/j.joule.2018.08.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation on nitridation processes of Sr2Nb2O7 and SrNbO3 to SrNbO2N for photoelectrochemical water splitting (2018)
  • 著者名/発表者名: Kodera Masanori、Moriya Yosuke、Katayama Masao、Hisatomi Takashi、Minegishi Tsutomu、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 ページ: 15849
  • DOI: DOI: 10.1038/s41598-018-34184-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of annealing conditions on the oxygen evolution activity of a BaTaO2N photocatalyst loaded with cobalt species (2018)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Hiroya、Kodera Masanori、Hisatomi Takashi、Katayama Masao、Minegishi Tsutomu、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Catalysis Today 巻: 印刷中 ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.cattod.2018.12.048
  • 査読あり
• [雑誌論文] Particulate photocathode composed of (ZnSe)0.85(CuIn0.7Ga0.3Se2)0.15 synthesized with Na2S for enhanced sunlight-driven hydrogen evolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Kageshima Yosuke、Minegishi Tsutomu、Goto Yosuke、Kaneko Hiroyuki、Domen Kazunari
  • 雑誌名: Sustainable Energy & Fuels 巻: 2 ページ: 1957～1965
  • DOI: 10.1039/C8SE00101D
  • 査読あり
• [学会発表] 光触媒水素製造技術の進展と実用化への課題 (2019)
  • 著者名/発表者名: 堂免一成
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会, 兵庫県神戸市
  • 招待講演
• [学会発表] CdTe based photocathodes and photoanodes for photoelectrochemical water splitting under sunlight (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Minegishi, J. Su, K. Domen
  • 学会等名: 233rd Electrochemical society (ECS) meeting, Seattle, USA
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 「光触媒シートを用いる水分解の現状と展望」 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堂免一成
  • 学会等名: 日本表面科学回第3回関東支部講演大会,東京都目黒区
  • 招待講演
• [学会発表] 太陽光と水から水素を製造する高効率光触媒反応系の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堂免一成
  • 学会等名: 石油学会第61回年会，東京都江戸川区
  • 招待講演
• [学会発表] Structure of Photocatalysts for Overall Water Splitting (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Domen
  • 学会等名: International Symposium on Spectroscopy and Dynamics at Surface and Interface, Kyoto, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structure and properties of photocatalysts for water splitting (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Domen
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Structure-Property relationship in Solid State Materials (SPSSM-2018), Pescara, Italy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Water splitting photocatalysts for solar hydrogen production (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Domen
  • 学会等名: Pre-conference of TOCAT8 and the 5th International Symposium of Institute for Catalysis, Hokkaido, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Heterogeneous photocatalysts for a large scale solar hydrogen production (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Domen
  • 学会等名: 5th Solid-state Chemistry & Ionics (SCI) workshop, Fukuoka, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Solar hydrogen production by particulate photocatalysts (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Domen
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Solar Fuels and Solar Cells, Dalian, China
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photocatalytic Water Splitting for Large Scale Solar Hydrogen Production (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Domen
  • 学会等名: ACSIN-14 & ICSPM26, Sendai, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photocatalytic Water Splitting for Large Scale Solar Hydrogen Production (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Domen
  • 学会等名: The 3rd International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials, Newcastle, Australia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photocatalytic water splitting for solar hydrogen production NSFC-RSC (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Domen
  • 学会等名: International Symposium on Energy Chemistry & Chemical Science Symposium on Sustainable Energy, Harbin, China
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photocatalytic water splitting for solar hydrogen Production (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Domen
  • 学会等名: International Joint Symposium: “Interfacial Science for Green Innovation” Kobe, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Particulate photocatalyst sheets for efficient and scalable water splitting; in Advances in Photoelectrochemical Water Splitting (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Hisatomi, Kazunari Domen
  • 総ページ数: 25
  • 出版者: Royal Society of Chemistry
• [備考] 世界初、太陽の可視光を吸収して水を分解する窒化タンタル光触媒を開発
  • URL: https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101014.html
• [備考] 非単結晶光触媒で世界最高の水素生成エネルギー変換効率12．5％を達成
  • URL: https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101013.html
• [産業財産権] 光触媒と、この光触媒を用いた水素及び酸素の製造方法 (2019)
  • 発明者名: 堂免一成，王謙，久富隆史、パクヨハン、秋山誠治、吉田紘章
  • 権利者名: 東京大学、信州大学、三菱ケミカル、人工光合成化学プロセス技研
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-031783
• [産業財産権] 表面に助触媒を担持した光触媒及び該光触媒の製造方法 (2019)
  • 発明者名: 堂免一成，久富隆史，オウセイ，手嶋勝弥，鈴木清香，ロイン，他1名
  • 権利者名: 信州大学、三菱ケミカル、人工光合成化学プロセス技術研究組合
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-041808
• [産業財産権] 金属酸硫化物の製造方法 (2019)
  • 発明者名: 堂免一成、嶺岸耕、東智弘、片山正士、吉田紘章
  • 権利者名: 東京大学、信州大学、三菱ケミカル、人工光合成化学プロセス技組
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-042071
• [産業財産権] 光触媒と、この光触媒を用いた水素及び酸素の製造方法 (2018)
  • 発明者名: 堂免一成，王謙，久富隆史、パクヨハン、秋山誠治、吉田紘章
  • 権利者名: 東京大学、信州大学、三菱ケミカル、人工光合成化学プロセス技研
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2018-173350
• [産業財産権] 酸素生成用透明電極、その製造方法、及びそれを備えたタンデム型水分解反応電極 (2018)
  • 発明者名: 西山洋、東智弘、佐々木豊、山田太郎、堂免一成、秋山誠治、鈴木洋一
  • 権利者名: 三菱ケミカル、東京大学、人工光合成化学プロセス技組、産総研
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2018/029981
  • 外国