水の完全分解反応を高効率に駆動する粉末光触媒シート
Particulate Photocatalyst Sheet Efficiently Driving the Overall Water Splitting Reaction
光触媒による太陽光水分解反応は再生可能な水素を大規模に製造する技術として研究されている1）。中でも，水素生成光触媒と酸素生成光触媒を組み合わせ，二段階の光励起を利用するZスキーム系は，光触媒が水素生成または酸素生成のいずれかの反応に活性であれば水分解反応に利用できる可能性があるため，バンドギャップの狭い光触媒を応用しやすい。
Zスキーム型水分解反応が進行するには，各光触媒で余剰となる電子と正孔を再結合させる必要がある。従来，電荷の授受にはレドックス対の酸化還元反応や光触媒粒子の接触を介した電子移動が利用されてきたが，逆反応や接触抵抗のために水分解活性が低下しやすい。そこで筆者らは，接触抵抗の小さな微粒子半導体電極の作製法である粒子転写法を用い，水素生成光触媒と酸素生成光触媒が混合された状態で導電材に固定された粉末光触媒シートを作製した2）。
光触媒シートは光触媒粒子間での電子伝達の効率に優れ，かつ溶液抵抗や物質移動抵抗の影響を受けにくい。そのため，純水中でも高い水分解活性を発揮し，かつ大面積化しても活性が低下しない。光触媒シートの作製・反応条件を最適化すると，大気圧付近でも世界最高レベルの1%程度の太陽光水素エネルギー変換効率を示し，水素と酸素の気泡の生成を目視できる3）。また，塗布プロセスを用いれば大型の光触媒シートを簡便に作製できる。近年では，長波長の可視光に応答する非酸化物光触媒からなる光触媒シートも発表されており，今後の性能の向上と大面積化プロセスの開発が期待される。
1） T. Hisatomi et al., Nat. Catal. 2019, 2, 387.
2） Q. Wang et al., Nat. Mater. 2016, 15, 611.
3） Q. Wang et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 1675.
久富隆史 信州大学先鋭領域融合研究群先鋭材料研究所