石油に代表される化石資源の枯渇化や二酸化炭素の放出など、現在人類は解決すべき多くの問題を抱えています。 しかし、もしも地球上に降り注ぐ無尽蔵な太陽光のエネルギーを効率良く化学エネルギーに変換することができれば、 このようなエネルギー・環境問題に対して一石を投じることができるはずです。

そのようなアプローチのひとつとして、太陽光で水を分解して水素を製造する手法が提案されており、 私前田和彦（以下前田）は、そのような研究に従事しています。水素は燃焼により大きなエネルギーを放出し、 それによって生じる水は環境に悪影響を及ぼす心配が全くありません。また、水分解で作り出した水素は 燃料電池を通じて電力へと変換でき、化学工業における重要な基幹原料としても利用可能です（図1）。


図1. 可視光応答型光触媒を用いた水の分解による水素製造

もちろん太陽光で水を分解すると言っても、単純に水を太陽光にかざしても何も起こりません。 ここで必要になるのが光触媒と呼ばれる物質で、これがある種のエネルギー変換媒体として働きます。 光触媒となりうる物質は、無機固体、有機高分子、錯体など多岐に渡りますが、前田は特に 粉末状の無機固体あるいは有機高分子に注目をして研究を進めています。

以下の図2に示すように、粉末光触媒による水の分解スキームとしては3つが提案されています。 詳細な説明は割愛しますが、(1) 単一の光触媒で水を直接分解する一段階励起型、 (2) 2種の異なる光触媒をそれぞれ水素生成系、酸素生成系として適用し、両者を電子伝達試薬で連結した二段階励起型、 (3) 光吸収中心（主として有機色素）を水素及び酸素生成中心（主として無機化合物）と組み合わせた有機−無機ハイブリッド型 に大別されます。


図2. 光触媒による水の分解の概念図

現在は、上記3つの系をターゲットとして開発を進めており、特に400nm以上の可視光を吸収して 水を効率良く分解する光触媒反応系の構築を目指しています。 以下に、現在までに得られた成果と推進中の研究内容の一部を簡単に説明します。

(1) 窒化ガリウム−酸化亜鉛固溶体
窒化ガリウム（GaN）も酸化亜鉛（ZnO）も良く知られたワイドバンドギャップ半導体であり、 発光ダイオードなどへも応用されています。ただし、両者ともに可視光を吸収できないため、 可視光応答型光触媒としては利用できないと考えられていました。一方で、この二つの化合物は ともにウルツ鉱型という結晶構造をとるため、両者を原子レベルで混ぜ合わせる（固溶体を形成する）ことが可能です。

不思議なことに、この両者で固溶体を形成すると、もともと白かったそれぞれの粉末は黄色となり、 可視光を吸収できるようになります。さらに、500nm程度までの可視光を利用して、 水を水素と酸素に完全分解することができます。これは、単一の光触媒を使って水と可視光のみから 水素と酸素を再現良く作り出した世界で最初の例でもあります。 現在、この光触媒の合成法の改良を行うことで、水の可視光分解反応に対する性能向上を試みています。


図3. 可視光で水を水素と酸素に直接分解する光触媒、窒化ガリウム−酸化亜鉛固溶体

[関連論文]

1. Kazuhiko Maeda, Kazunari Domen,
   Chem. Mater. (Review), 2010, 22 (3), 612-623. DOI: 10.1021/cm901917a
2. Masatomo Yashima, Hiroki Yamada, Kazuhiko Maeda, Kazunari Domen,
   Chem. Commun., 2010, 46 (14), 2379-2381. DOI: 10.1039/b922008a


3. Takashi Hisatomi, Kazuhiko Maeda, Kazuhiro Takanabe, Jun Kubota, Kazunari Domen,
   J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (51), 21458-21466. DOI: 10.1021/jp9079662


4. Kazuhiko Maeda, Hideaki Masuda, Kazunari Domen,
   Catal. Today, 2009, 147 (3-4), 173-178. DOI: 10.1016/j.cattod.2008.09.002


5. Kazuhiko Maeda, Hiroshi Hashiguchi, Hideaki Masuda, Ryu Abe, Kazunari Domen,
   J. Phys. Chem. C, 2008, 112 (9), 3447-3452. DOI: 10.1021/jp710758q


6. Kazuhiko Maeda, Kentaro Teramura, Kazunari Domen,
   J. Catal., 2008, 254 (2), 198-204. DOI: 10.1016/j.jcat.2007.12.009


7. Takeshi Hirai, Kazuhiko Maeda, Masaaki Yoshida, Jun Kubota, Shigeru Ikeda, Michio Matsumura, Kazunari Domen,
   J. Phys. Chem. C (Letters), 2007, 111 (51), 18853-18855. DOI: 10.1021/jp709811k


8. Masatomo Yashima, Kazuhiko Maeda, Kentaro Teramura, Tsuyoshi Takata, Kazunari Domen,
   Chem. Phys. Lett., 2005, 416 (4-6), 225-228. DOI: 10.1016/j.cplett.2005.09.092


9. Kazuhiko Maeda, Kentaro Teramura, Tsuyoshi Takata, Michikazu Hara, Nobuo Saito, Kenji Toda, Yasunobu Inoue, Hisayoshi Kobayashi, Kazunari Domen,
   J. Phys. Chem. B, 2005, 109 (43), 20504-20510. DOI: 10.1021/jp053499y


10. Kazuhiko Maeda, Tsuyoshi Takata, Michikazu Hara, Nobuo Saito, Yasunobu Inoue, Hisayoshi Kobayashi, Kazunari Domen,
    J. Am. Chem. Soc. (Communications), 2005 127 (23), 8286-8287. DOI: 10.1021/ja0518777

(2) 酸化ジルコニウム修飾酸窒化タンタル（ZrO₂/TaON）
酸窒化タンタル（TaON）は、もっともよく知られた可視光応答型光触媒のひとつであり、世界中で広く研究されています。 しかし、合成過程で生じる表面の格子欠陥構造が光触媒活性を低減させていることが問題となっていました。 ZrO₂/TaONは、そのような格子欠陥構造の低減に成功した光触媒です。特に、酸化タングステンと組み合わせた 2段階励起水分解システムにおいては、TaONからなる系よりも10倍以上の高活性を示し、現在のところ 世界最高性能の水分解活性を誇っています。


図4. ZrO₂/TaONとWO₃を組み合わせた2段階励起可視光水分解システム

[関連論文]

1. Kazuhiko Maeda, Masanobu Higashi, Daling Lu, Ryu Abe, Kazunari Domen,
   J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (16), 5858-5868. DOI: 10.1021/ja1009025


2. Kazuhiko Maeda, Hiroaki Terashima, Kentaro Kase, Masanobu Higashi, Masashi Tabata, Kazunari Domen,
   Bull. Chem. Soc. Jpn., 2008, 81 (8), 927-937. DOI: 10.1246/bcsj.81.927

出所がどこであれ、お金をいただいているからこそ研究活動に従事することができ、 怜悧聡明な共同研究者たちと理解ある上司に支えられているからこそ、良い研究が可能となります。 この場をお借りして感謝の意を申し上げます。