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太陽光を使う水素製造、効率を飛躍させる新材料を開発 (長町基,[スマー...

太陽光を使う水素製造、効率を飛躍させる新材料を開発 (長町基,[スマートジャパン])

 東京大学物性研究所は2016年6月、名古屋大学、高エネルギー加速器研究機構、東京理科大学とともに、金属ナノ柱状構造(直径5、長さ20ナノメートル)が酸化物の中に埋め込まれた「ナノコンポジット結晶」を簡易に作製する新プロセスを開発したと発表した。このナノコンポジット構造を、太陽光の照射によって水を分解して水素を製造する光触媒として利用すると、その水分解光電極反応の効率が著しく向上することがわかった。ナノ構造を持つコンポジット材料は、より高効率なエネルギー変換材料やデバイスとしての可能性があり、二酸化炭素を排出しないクリーンな水素社会の実現の貢献につながることが期待される。

 太陽光は、無尽蔵でクリーンなエネルギー源だが、そのエネルギーをどのようにして燃料という形に変換し蓄えるかが、人類のエネルギー問題を考える上で重要なテーマになっている。変換した燃料の中でも水素ガスは、燃料として使った場合に水だけを排出して二酸化炭素をまったく排出しない、最もクリーンなエネルギー燃料と言われている。また、水素ガスはそのまま車や工場などの燃料として使うことができるだけでなく、化石燃料のように貯蔵できる点が注目されている。

 水素ガスは、光触媒を利用した水分解によって作ることができる。しかし、この光化学反応の効率は非常に低く、しかも製造コストが高いことが、実用化の障害になっている。今回、共同研究グループは、水分解のための光触媒電極表面反応の効率を向上させるために、酸化物の薄膜とナノサイズの金属柱状結晶で構成されたコンポジット結晶を用いた水分解光電極の作製に取り組んだ。その結果、高品質の薄膜作製を可能とするパルスレーザー堆積法という方法を用いて薄膜を作製すると同時に、その中に5ナノメートルの太さを持つ金属の柱状結晶が自己集積的に成長させるという作製方法により、電極として機能する光触媒薄膜を開発することに成功した。さらに、このナノ柱状構造の析出によって、水素を生成する水分解光電極反応の効率が著しく向上することを明らかにした(図1)。

 作製した薄膜は、金属のナノ柱状結晶が酸化物結晶の中に埋め込まれているが、このような金属と酸化物の接合界面は、プラスとマイナスの電荷を効率的に分離させることができる界面となり、ショットキー接合と呼ばれている。太陽光を照射することによって、酸化物内ではプラスの電荷を帯びたホールとマイナスの電荷を帯びた電子のペアが発生する。ショットキー接合付近に生じる内部電界によってこのホールと電子のペアが分離し、ホールは金属柱状結晶の中を通って薄膜表面に到達し水分子と反応し分解する。共同研究グループは、このナノ柱状結晶を薄膜内に無数に分散することによって、水の分解反応を促進することに成功した。特にこのような水分解光電極反応は、ナノ柱状結晶の構成元素としてイリジウム金属、薄膜の主成分としてチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)の組み合わせにおいて、非常に高い効率を示した。

 今回のナノ柱状構造が埋め込まれたコンポジット結晶は、水の中で電極として使用しても長時間安定であるという耐久性があるだけでなく、作製において1回の単純プロセスで作製できるという特徴がある。一般的に金属と酸化物のコンポジット構造を作製するためには、高価なリソグラフィーや複数の微細加工プロセスを用いたトップダウンなプロセスが必要となる。しかし、複雑な材料プロセスが増えるにつれ、水素を製造するコスト高に繋がり、実用化を妨げる要因にもなってしまう。今回、新しく開発した水分解光電極は、自らナノ柱状が成長するというボトムアップ技術である自己集積化プロセスを取り入れて作製した。結晶が成長する温度、酸素圧、成長スピードを注意深く最適化することによって、最新式のトップダウン手法でも難しい5ナノメートルという非常に小さいナノ柱状構造の自己集積化が可能になった。同様なナノ構造を持つコンポジット材料のアイデアはより高効率なエネルギー変換材料やデバイスの作製に役立ち、二酸化炭素を排出しないクリーンな水素社会を実現に近づける可能性を持っている。


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