人工光合成の実現に道、世界最高の水素変換効率を達成

 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2018年8月、東京大学とともにCu(In1-x、Gax)Se2(通称:CIGS)をベースとした光触媒を開発し、水素生成エネルギー変換効率12.5%を達成したと発表した。

 NEDOとARPChemは、太陽光のエネルギーを利用して、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、エチレン(C2)やプロピレン(C3)、ブテン(C4)といった基幹化学品を製造する人工光合成の研究を行ってきた。このプロセスにおいて、光触媒のエネルギー変換効率をさらに向上することが課題となっていた。

 

研究グループは今回、太陽電池の材料として用いられているCIGSをベースに、太陽光のスペクトル強度がピークとなる可視光領域(波長400n~800nm)の光を吸収する光触媒材料を開発した。ここで注目したのがカルコゲナイド系材料である。特にCIGSは、赤外領域の太陽光まで利用できるという特長がある。しかも、p型半導体であるCIGSの表面にn型半導体を成膜、pn接合すれば高い量子効率を得られることが知られている。

 

 研究グループはこれらの知見を参考に、2つの工夫を行った。1つは新規組成のCIGS開発である。これにより、高負荷条件ではCIGSとn型半導体の間の障壁が原因で電子が注入されにくくなるという課題をクリアし、世界最高レベルの水素生成反応を達成した。もう1つは電解液の成分などを最適化した。これにより水素を効率的に得ることが可能になったという。

 これらの工夫により、水素生成エネルギー変換効率は最大12.5%を達成した。この数値は非単結晶光触媒として世界最高の変換効率だと主張する。

 

EE Times

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