2016 Fiscal Year Annual Research Report
非酸化物系半導体をベースとする高効率可視光水分解系の構築
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15H03849
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
阿部 竜 京都大学, 工学研究科, 教授 (60356376)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小笠原 正道 徳島大学, 大学院理工学研究部, 教授 (70301231)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 太陽光エネルギー変換 / 可視光 / 水素製造 / 光触媒 / 非酸化物系半導体 / 有機色素 / レドックス / Zスキーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、太陽光を用いたクリーンな水素製造技術として期待される「半導体光触媒を用いた水分解」の飛躍的な高効率化を図ることを目的とし、特にバンドギャップの小さな非酸化物系半導体を導入することにより、可視光の利用効率向上を図るものである。適切な表面修飾により安定化し、二段階励起型水分解系に適用することにより、従来の金属酸化物ベースの水分解系では困難な、広範囲までの可視光を利用した水分解と、水素と酸素の分離生成を目指している。平成２８年度は主に以下に示す成果が得られた。
（１）酸窒化物系：昨年度はタンタル系酸窒化物に注力したが、本年度はさらに700ナノメートルまで吸収可能なニオブ系BaNbO2Nにおいても適切なドーピングと表面修飾により高効率かつ安定な光アノードを開発するに至った。さらに、これら酸窒化物の表面を塩化ルテニウムのナノクラスターで修飾することにより、ヨウ素レドックスを用いる可視光酸素生成効率が飛躍的に向上することを見出した。
（２）硫化物系：昨年度は単純な硫化物であるCdSにおいて、その表面修飾による安定化とフェロシアン化物をレドックスとする二段階励起型可視光水分解の実証に成功したが、本年度は有害なCdを含まない複合型硫化物においても同様の可視光水分解、さらには水素と酸素の分離生成を実証するに至った。
（３）ハロゲン化物系：昨年度新たに見出したシレン・アウリビリアス型酸ハロゲン化物光触媒のさらなる展開を図り、複数の化合物が可視光照射下において安定に酸素を生成可能であることを見出すとともに、水素と酸素の分離生成にも成功した。
（４）有機色素系：半導体に吸着するアンカー部位の最適化により、水素生成効率と安定性が向上することを見出した。
（５）新規レドックス系：昨年度見出したマンガン系に続いて、バナジウム系ポリオキソメタレートが二段階励起型レドックスとして機能することを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度に引き続き平成28年度においても、非酸化物系光触媒の開発を優先課題として実施したが、酸窒化物系、硫化物系、酸ハロゲン系のいずれにおいても、新規な可視光応答型光触媒の開発と表面修飾による安定化および高効率化に成功していることから、順調に進展していると言える。また表面修飾による安定化についても、詳細なキャラクタリゼーションによって、その機構が次第に明らかになりつつあり、さらなる応用展開が期待できる。有機色素系においては、半導体との吸着部位が水素生成活性と安定性に極めて重要な役割を果たしていることを明らかにして、今後の設計指針を得るとともに、これらを適切な酸素生成系と組み合わせて、水素と酸素の分離生成を実証するに至っており、これも順調に進展していると言える。さらに新規レドックスの開発についても、昨年度のマンガン置換ポリオキソメタレートのみならず、本年度バナジウム系ポリオキソメタレートも有効なレドックスとして機能することを見出したことから、今後置換部位を系統的に代えてそのレドックスポテンシャルを制御することにより、さらに高効率な二段階励起型水分解が実証できることが期待される。以上のように、ほとんどの項目において当初の予定通りに順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記のように、平成２８年度まで概ね計画通りに進展しており、最終年度となる平成２９年度には、これまでに絞り込みを行った可視光応答型光触媒に対して、表面修飾やヘテロ接合導入によるさらなる高活性化を図るとともに、「水素と酸素の効率的分離生成」の実証に向けた反応系の設計・構築を最優先課題として進める。
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