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世界初の「窒化タンタル光触媒」、可視光で水分解

2018/09/05 18:08
工藤宗介=技術ライター
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 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と人工光合成化学プロセス技術研究組合(ARPChem)は9月4日、東京大学や信州大学と共同で、可視光領域で水を分解する窒化タンタル光触媒を開発したと発表した。

 窒化タンタルは次世代の光触媒材料として2000年頃から有望視されていたが、良質な窒化物微粒子の合成が困難で、実際に光触媒を製造して水分解を確認できたのは世界で初めてという。

今回開発した単結晶窒化タンタル微粒子光触媒の電子顕微鏡写真
(出所:NEDO)
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 太陽光の強度のピークは主に可視光領域(400~800nm)にあるため、光触媒がこの波長域の光を吸収して水を分解できれば、効率よく太陽光のエネルギーを利用できる。しかし、従来の光触媒は、主な吸収波長が紫外光領域(~400nm)に限られるものが多く、光触媒の吸収波長を長波長化することが課題のひとつだった。

 今回、可視光を吸収して水を分解する単結晶窒化タンタル(Ta3N5)微粒子光触媒の開発に成功した。この光触媒は、水中に分散することで、400~600nmの波長範囲の可視光を吸収して水を分解できる。また、基板に固定化すれば光触媒パネル反応器に組み込んで利用できる。600nm近辺は太陽光で最も強度が高い波長域のため、効率的なエネルギー活用が期待される。

 複合酸化物(タンタル酸カリウム、KTaO3)微粒子を従来の10分の1以下の短時間で窒化することで、複合酸化物微粒子上に単結晶の窒化タンタル微粒子を直接形成し、さらに水素生成反応を促進する助触媒を担持させた。これにより窒化物微粒子が高品位化して光励起された電子と正孔を水分解反応に有効利用することが可能になった。

 NEDOとARPChemは、太陽光のエネルギーで水から生成した水素と工場などから排出されるCO2を合成して、プラスチック原料などの基幹化学品(C2~C4オレフィン)製造プロセスを実現するための基盤技術開発を進めている。今後、窒化タンタル光触媒の合成手法の改良や、酸窒化物(酸化物イオンと窒化物イオンが共存する化合物)や酸硫化物(酸化物イオンと硫化物イオンが共存する化合物)など異なる材料への展開を通じて、水分解用の微粒子光触媒の機能を改良していくという。

人工光合成プロジェクトの概要
(出所:NEDO)
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