東京工業大学の研究者チームは、これまでに記録された中で、最も効率的に太陽エネルギーによって水を分解する色素増感型光触媒の最適化に世界で初めて成功した。研究チームが開発した、表面装飾を施した色素増感型ナノシート触媒は、非常に大きな可能性を示している。望ましくない逆反応を抑制し、水分解活性を最大100倍にまで高めることができるからだ。

水分子を分解して水素を生成できる最もシンプルな方法の一つは、光触媒を使う方法だ。光触媒材料とは、光を吸収すると同時に水分解反応を行うことができる半導体で、水素を大量生産するためのシンプルなシステム構成を提供する。半導体は、水分解反応を行うための電子-正孔対（electron-hole pair）を生成できる。しかし、これらの電荷キャリアは再結合する傾向があるため、これを抑制するために2種類の半導体と電子伝達剤を利用する「Zスキーム型」光触媒システムが開発されている。

この構成では、電子伝達剤は通常、可逆の電子受容体/供与体のペア（ヨウ素系電子伝達剤のI₃^–/I^–など）で、一方の光触媒から電子を受容し、もう一方の光触媒に対してその電子を供与する。このプロセスは、半導体間で電荷キャリアを分離する。半導体内での電荷再結合が起こらないようにしているにもかかわらず、電子伝達剤の電子受容体（I₃^–）が水素生成光触媒と電子を奪い合うことで、結果的に太陽光から水素へのエネルギー変換効率が低下してしまう。

水素生成効率を向上させるため、東京工業大学の西岡駿太特任助教と前田和彦教授を含む国際研究チームは、意図しない電子伝達を防ぐ方法の開発に取り組んできた。ルテニウム（Ru）色素増感型ニオブ酸塩光触媒（Ru/Pt/HCa₂Nb₃O₁₀）を用いた実験において、低濃度I₃^–の存在下で、水素生成効率が著しく向上することに、研究チームは気付いた。

研究チームはこの実験結果を基に、酸素生成光触媒と、修飾を施したルテニウム色素増感型ニオブ酸塩ナノシートで構成される効率的な水分解システムを開発した。ルテニウム色素増感型ニオブ酸塩ナノシートは、より優れた水素生成光触媒として機能する。「表面装飾した色素増感ナノシート光触媒を用いることで、Zスキーム型水分解システム全体の効率向上に成功しました」と、前田教授は話す。今回の研究結果は、学術誌『Science Advances』で発表された。

色素増感型光触媒に、絶縁体酸化物とアニオン性ポリマーで表面修飾を施すことで、水分解活性が最大100倍に向上した。このイラストは、学術誌『Science Advances』のFeature imageに選出された 

反応系のI₃^–濃度を低く保つため、酸化タングステン光触媒（PtOx/H-Cs-WO3）を酸素生成触媒として用い。また、半導体から、酸化されたルテニウム錯体とI₃^–イオンそれぞれへの逆電子伝達を抑制するため、絶縁体の酸化アルミニウム（Al₂O₃）とアニオン性のポリスチレンスルホン酸（PSS）ポリマーを用いて光触媒を表面装飾した。

この設計により、より多くの電子が水素生成反応に関与するため、結果的にZスキーム型水分解システムの効率を、これまでで最も高めることができた。「色素増感型ナノシート光触媒に表面装飾を施すことで、太陽光水分解活性が100倍近く向上し、色素を用いない一般的な半導体ベースの光触媒システムに匹敵するほどになりました」と、前田教授は指摘する。

今回開発された光触媒は、逆電子伝達を抑制することにより、低照度レベルでも水素生成を持続させることができるため、高い照度が必要な他の光触媒より優位に立っている。さらに、電子伝達の逆反応の影響を最小限に抑えることで、研究チームは、Zスキーム型水分解用の色素増感型光触媒の新たなベンチマークを設定しただけでなく、二酸化炭素（CO₂）還元などの他の重要な反応に用いられる他の色素増感型システムを向上させるための枠組みも構築した。

研究レポート：Surface-Modified, Dye-Sensitized Niobate Nanosheets Enabling an Efficient Solar-Driven Z-Scheme for Overall Water Splitting

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