東京工業大学の前田和彦准教授らの研究グループは京都大学と共同で、酸化チタンと水酸化コバルトからなる複合材料が可視光照射下で水を分解する光電極として機能することを発見した。水分解水素製造だけでなく、地球温暖化の原因物質である二酸化炭素の光還元への応用も期待される。

 水を水素と酸素に分解する光電極の開発は、太陽光に多く含まれる可視光を化学エネルギーへ変換する「人工光合成」実現の観点から重要な課題だ。酸化チタンに代表されるある種の金属酸化物は合成が比較的容易で、化学的にも安定なため、水分解の光電極材料として広く研究されてきた。だが、それらのほとんどはバンドギャップ(伝導帯と価電子帯のエネルギー差)が大きいため、紫外光しか吸収できないという大きな問題があった。

 前田准教授らは、透明導電性ガラス上に積層した酸化チタン薄膜に水酸化コバルトを析出させた電極が、可視光照射下で水を分解する新たな光電極となることを発見。酸化チタンや水酸化コバルト単独では同様の機能は得られず、両者の組み合わせで生じる可視光吸収能が機能発現の起源であることが分かった。

 これは、実現困難な可視光水分解を、酸化チタンや水酸化コバルトといったありふれた物質のみを用いて実現した初めての例だ。さらに、この複合光電極は簡便で低コストの手法で作成できるという特徴も併せ持っている。

 今後、光電極構造・電解条件の最適化や類似物質の組み合わせの検討により性能向上が見込まれる。加えて、今回の複合光電極は水分解水素製造だけでなく、二酸化炭素還元のための光電極部材としての応用も期待されるとしている。

論文情報:【ACS Applied Materials & Interfaces】Water Oxidation through Interfacial Electron Transfer by Visible Light Using Cobalt-Modified Rutile Titania Thin Film Photoanode

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