第 59 回学位取得者
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第 16 回

学 位 取 得 者・学 術 奨 励賞受 賞者の紹介
東京工業大学 物質理工学院 応用化学系

学術奨励賞

わ た な べけ ん

助教た渡邊 健太東京理科大学 理学部第一部 応用化学科（2015 年度卒）

人工光合成：光触媒を用いたソーラー水分解によるグリーン水素製造
筆者は，学士・修士・博士後期課程のすべてを東京す．これに対して触媒反応では，触媒が Ea を小さく理科大学で過ごし，2021 年 3 月に博士号を取得しますることで，反応が促進されます【図 1（B）】．しかした．本稿では，「光触媒」
・「人工光合成」
・「グリー

し，触媒を用いても，逆向き（ΔG＞0）の反応を自ン水素」の 3 つを，筆者が在学中に取り組んだ研究発的に進行させることはできません．進行させるための一部とともに紹介します．には，外部から ΔG（+Ea）より大きなエネルギーを化学反応に限らず，世の中の大半の“変化”は，基与える必要があります．このエネルギー源として，光本的に，“エネルギーが低下する”ようになっていまを用いて反応を起こすのが，「光触媒」です．通常，す．例えば，A+B→C という化学反応の場合，それΔG＞0 であるため，水が水素と酸素に自発的に分解ぞれの（ギブス）エネルギーを GA, GB, GC とすると，されることはありません．しかし，水と光触媒がある（GA+GB）＜0 となるときに，自発的に反ΔGC＝GC−ところに光を照射すると，室温でも水分解が進行し，応が進行します【図 1（A）】．唯一反応を妨げるのは，水素と酸素が化学量論比（H2：O2＝2：1）で生成さ反応中間体になるための活性化エネルギー（Ea）でれます【図 1（C）】．一見，奇妙に見えますが，私たちの身近にも同様の反応があります．それが「光合（A）通常の化学反応成」です．植物は，取り込んだ水と二酸化炭素を原料にし，太陽光エネルギーを利用して，原料よりもエネルギーの高い糖と酸素を生成します【図 1（D）】．このように，「光触媒」によるソーラー水分解は，自然（B）触媒を用いた反応界の光合成と似た反応であるため，「人工光合成」と呼ばれており，「グリーン水素」の製造方法として注目を集めています．
さて，「光触媒」を用いたソーラー水分解によって（C）光触媒によるソーラー水分解：人工光合成「グリーン水素」を製造できると何気なく述べました
が，皆様は“水素の色分け”をご存知でしょうか．カーボンニュートラルを目指している昨今では，水素もただ作ればよいわけではありません．ドイツ政府によって，水素の製造方法とその副生成物などで，下記の（D）植物による光合成ように，水素が色分けして名付けられています1）．
グレー水素：化石燃料由来，CO2 排出ブルー水素：化石燃料由来，CCS により CO2 ゼロ【図 1】エネルギーの観点から見た種々の化学反応

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学位取得者・学術奨励賞

グリーン水素：再生可能エネルギー由来

ターコイズ水素：メタン分解由来，固体炭素を埋める
現在の主な水素製造法は，原料に化石燃料を用い，二酸化炭素が同時に生成される水蒸気改質法です．つまり，現在得られているのは，グレー水素であり，カーボンニュートラルへの貢献度は低くなります．これに対して，光触媒を用いたソーラー水分解では，「グリーン水素」が得られます．また，本手法で得られる「グリーン水素」は，低コストになると考えられてお【図 2】Rh0.5Cr1.5O3 担持 AgTaO3 を用いた紫外光照射下における水分解の様子

り，実用化が期待されています．
筆者が所属していた工藤昭彦研究室では，様々な紫外光照射下で生成した気体の泡を目視することがで「人工光合成」型の「光触媒」反応を研究しています．

きました．さらに，本光触媒は，疑似太陽光照射下に光触媒には様々な材料が用いられていますが，筆者は，おいても，泡を目視できるレベルの水分解活性を示し，水分解用の金属酸化物光触媒を主に開発していましこのときの太陽光―水素エネルギー変換効率（太陽光た．そ の 中 で も，価 電 子 帯 制 御 型（Valance-Band-エネルギーを水分解に利用して水素を生成した効率，SolarControlled：VBC）金属酸化物光触媒を得意としていまto hydrogen energy conversion efficiency：STH） は 0.13した．VBC 光触媒には，一部の金属酸化物や（酸）％ となりました．この STH も，VBC 光触媒では世界窒化物，（酸）硫化 物 な ど が 該 当 し，金 属 酸 化 物 の最高になります．0.13％ という数字だけ見ると，非VBC 光触媒では，Ag（I）, Cu（I）, Pb（II）, Sn（II）, Bi（III）

常に低く感じると思います．しかし，疑似太陽光照射のいずれかが組成に含まれます．VBC 光触媒は，一般下で水分解する光触媒は限られており，それらの大半的な金属酸化物光触媒よりも，太陽光を有効利用できは STH＜0.1％ であるのが現状です．また，水分解にる可能性を秘めた材料群であることから重要視されて利用可能な太陽光に含まれる光は，280～1000 nmいます．しかし，一般的な金属酸化物光触媒と比べて，程 度（シ ス テ ム に よ っ て は～2000 nm）の 光 で す が，VBC 光触媒は安定性が低いという欠点を有しています．

AgTaO3 は 380 nm 以下の光しか利用できません．

VBC 金属酸化物光触媒の場合，Ag（I）, Cu（I）, Pb（II）,

逆説的に述べると，380 nm 以下の光しか利用できなSn（II）, Bi（III）の酸化数が変化しやすいことが，原い AgTaO3 でも，AQY が高くなれば，ソーラー水分因の 1 つになります．実際，VBC 光触媒を用いた高解が可能になるということです．このように，AQY効率な水分解は，当時まで達成されていませんでした．

は，光触媒反応における非常に重要な因子です．しかしたがって，VBC 光触媒を用いた高効率水分解は，しながら，AQY を明示している論文は，ごくわずか実用化の観点から非常に重要であるといえます．

しかありません．それだけ AQY の向上が難しいとも

そこで筆者は，モデル材料として AgTaO3 光触媒いえますが，AQY を無視していては，実用化は永遠に着目しました．AgTaO3 は，紫外光照射下で水分に夢物語になってしまいます．光触媒を用いたソーラ

解活性を示す光触媒として，2002 年に工藤研究室かー水分解の実用化には，STH＝5～10％ が必要と言わら報告された材料です ．この報告では，AgTaO3 のれています．このためには，より広い波長範囲の光を粒子表面上に，NiO を助触媒（表面反応を促進する物利用可能な VBC 光触媒の AQY 向上が重要になります．

質）として担持（物理的に接合）することで，水分解をもし，本稿に目を通して，「光触媒」を用いた「人工達成しています．筆者は，助触媒を替えることで高活光合成」による「グリーン水素」製造に興味を抱き，性化を試みました．種々の助触媒を検討した結果，研究を始める際には，外部量子収率：AQY を常に頭Rh0.5Cr1.5O3 を用いたときに，飛躍的に高活性化されの片隅に留めていただけると，筆者としては幸いです．

2）

3）

ました．また，VBC 光触媒で問題になる安定性も，非 常 に 優 れ て い ま し た．こ の Rh0.5Cr1.5O3 担 持

参考文献

AgTaO3 を用いた水分解に対する外部量子収率（＝11）BMWK,The National Hydrogen Strategy（2020）

光子の反応効率，apparent quantum yield：AQY）は最高

2）A. Kudo, et al., J. Phys. Chem. B, 106, 12441（2002）

で 38％ に達し，VBC 光触媒を用いた水分解で世界最3）K. Maeda, et al., J. Catal., 243, 303（2006）

高の値になりました．また，【図 2】に示すように，
理大

科学フォーラム2023（4）55