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自然の光合成において、明反応の核心部は水から電子または水素を取り出す反応です。そのような観点から、ソーラー水分解による水素生成反応は、人工光合成の核心部的な反応です。人工光合成による水素製造が可能な系として、無機半導体光触媒、金属錯体光触媒があげられます。さらに、生物化学的なアプローチとして、ニトロゲナーゼ等の酵素の改良による水素生産があります。これらの分野の研究者が本研究領域に一堂に集まり協調して研究を進めます。このように、無機半導体光触媒、金属錯体光触媒、生物学的システムという多角的観点から、人工光合成を基盤としたソーラー水素製造システムの開発を進めていきます。具体的な研究目的として、バンドエンジニアリングによるソーラー水素製造無機半導体光触媒開発、光触媒材料の合成プロセス、高機能金属錯体光触媒系の開発、ニトロゲナーゼを利用した水素生産システムの構築を目指します。
| 研究代表者 | 工藤 昭彦 | 東京理科大学・理学部・教授 | クリスタルエンジニアリングに基づくソーラー水素製造光触媒の開発 |
| 研究分担者 | 井上 和仁 | 神奈川大学・理学部・教授 | 窒素固定酵素ニトロゲナーゼを利用した水素生産の高効率化 |
| 酒井 健 | 九州大学・大学院理学研究院・教授 | 金属錯体を基盤とした人工光合成デバイスの創成 | |
| 加藤 英樹 | 東北大学・多元物質科学研究所・准教授 | 水素生成のための新規光触媒開発 |
| 公募A03 | ||
|---|---|---|
| 研究代表者 | 加藤 昌子 | 北海道大学・大学院理学研究院・教授 |
| 連携研究者 | 小林 厚志 | 北海道大学・大学院理学研究院・准教授 |
| 吉田 将己 | 北海道大学・大学院理学研究院・助教 | |
| 元素活用型ハイブリッド光水素発生系の構築 | ||
| 本研究では、ユビキタス元素活用に基づく完全貴金属フリー光水素発生光触媒の実現を目指す。この目的のため、申請者らが見出したフェニレンジアミン−鉄錯体による光水素発生反応を基盤にして平成25〜26年度の公募研究を進めた。すなわち、一連の3d金属イオンについて光水素発生能を検討するとともに、領域内共同研究により高効率化と高耐久性のための系の展開を試み、フェニレンジアミンの分子触媒活性、可視光利用のための量子ドット/3d金属錯体系、メソポーラス有機シリカへの金属錯体の担持等に関して興味深い知見を得た。本研究では、これらをさらに発展させ、新規高効率光水素発生触媒系の実現を目指して、次の３つの課題達成に取り組む：１）レドックス活性分子を用いた光水素発生反応探索と高効率化、２）量子ドットを光増感剤とする光水素発生系の構築、３）メソポーラス有機シリカを活用した金属錯体触媒系の安定化と集積化。 | ||
| 公募A03 | ||
| 研究代表者 | 鳥本 司 | 名古屋大学・工学研究科・ 教授 |
| ヘテロ接合量子ドット光触媒を用いる高効率光触媒反応の開発 | ||
| サイズが10nm以下の半導体ナノ粒子（量子ドット）を光触媒とする光エネル ギー変換システムが、現在、活発に研究されている。通常の半導体ナノ粒子によ る光触媒反応では、光生成した電子−正孔対が粒子内部の極めて狭い空間に閉じ 込められるために、再結合確率が非常に高くなり光触媒反応に用いることができ る電子数はあまり多くない。そこで、本研究では、低毒性半導体ナノ粒子をそれ とは異なる種類の半導体と接合することで、粒子内部にヘテロ接合を持つ量子ドッ トを液相合成する。これにより形成される粒子内部の電場勾配を利用して、光生 成した電子−正孔対の再結合を妨げて、高効率な電荷分離を達成する。さらにヘ テロ接合量子ドットを光触媒とする高効率な光触媒反応システムの構築を目指す。 | ||
| 公募A03 | ||
| 研究代表者 | 加藤 正史 | 名古屋工業大学・大学院工学研究科・准教授 |
| 単結晶評価を利用した半導体光触媒の効率制限因子の解明 | ||
| 人工光合成による水素発生の有望な技術として半導体光触媒を用いた水分解があ り、その半導体としてはTiO2などの材料が提案されている。しかしながら、光触 媒用途に開発されてきた半導体材料の物性はあまり議論されておらず、エネル ギー変換効率を制限している物性が明らかでなかった。一方で、電子デバイス・ 太陽電池用半導体材料では、単結晶に対する評価により材料のどの物性がデバイ ス性能を制限しているかが理解されている。このような背景に基づき、我々はこ れまでに電子デバイス・太陽電池用半導体材料の評価技術を、光触媒半導体単結 晶に適用し効率を制限している因子を見出してきた。本課題では我々はこの手法 を複数の光触媒材料に広げて、それらの材料における効率制限因子を明らかにす るとともに、これらの半導体光触媒における材料デザインの指針を与えることを 目的とする。 | ||
| 公募A03 | ||
| 研究代表者 | 池田 茂 | 甲南大学・理工学部・教授 |
| 連携研究者 | 原田 隆史 | 大阪大学・太陽エネルギー化学研究センター・技術専門職員 |
| ワイドギャップ化したカルコパイライト半導体光カソードによる高効率水分解反応 | ||
| p型化合物半導体薄膜をベースとする太陽電池は、開放電圧が高いほどp型半導体薄膜の価電子帯上端のエネルギーが安定化される傾向にあり、水分解における外部バイアス電圧の高さは、この電子エネルギー構造に起因する。また、湿式系である水分解では、これまでに得た表面ラフネス効果が示すように、表面に微細な凹凸構造を持たせて電解液との接合界面積を拡大することによる高効率化が可能である。したがって、太陽光変換効率を向上させるには、（ａ）必要な外部バイアス電圧を低下させるためのバンド構造（エネルギー構造）の制御と、（ｂ）光生成したキャリアの再結合によるロスを抑制しつつ効率的に取り出すためのp-n界面積の増大が重要であるといえる。本研究では、これらに基づいた光電極の設計を実践し、太陽電池に匹敵する超高効率な水分解水素発生光電極を開発することを目的とする。 | ||
| 公募A03 | ||
| 研究代表者 | 片岡 祐介 | 島根大学・総合理工学研究科・助教 |
| 連携研究者 | 半田 真 | 島根大学・大学院総合理工学研究科・教授 |
| 川本 達也 | 神奈川大学・大学院理学研究科・教授 | |
| 多核金属錯体のボトムアップ化による高効率水素発生の実現と理論的なメカニズム解明 | ||
| 金属錯体を使用した水の光還元反応は、次世代エネルギーと期待される水素を生成する為の技術としてのみならず、光電子移動過程や効率的な人工光合成システムを開発する上でも重要であると認知されている。本申請では、(1)優れた光触媒活性を示すパドルホイール型、ハーフパドルホイール型およびアンカー型ロジウム二核錯体を基本骨格としてそれらをボトムアップ化させた新規「擬直線型ロジウム四核錯体」及び、(2)四面体クラスター構造を有する「ロジウム四核クラスター錯体」の開発を行い、それらの多核ロジウム錯体を使用した高効率な水の光還元反応を達成する事を目指す。また、実験と量子化学計算の両方の研究手段を使用する事で反応メカニズムをミクロな観点から解明する事も目指す。 | ||
| 公募A03 | ||
| 研究代表者 | 伊田進太郎 | 九州大学・大学院工学研究院・准教授 |
| 鉄系酸化物半導体を用いた人工光合成システムの開発 | ||
| 太陽光の可視光領域の光を利用して水を水素と酸素に分解できる光触媒がいくつか報告されるようになってきており、このような人工光合成による 水素製造も研究室レベルから産業化を見据えた研究が始まっています。しかしながら、太陽光エネルギーを水素に変換する効率は依然と低く、現在 と同価格の水素を提供するためには大きなプレイクスルーが必要とされています。本研究では、このような課題に対し、鉄系酸化物半導体を用いた 太陽光水分解システムの開発を行います。鉄は地球上に鉄鉱石として豊富に存在し流通価格も安いため、安価な鉄を原料とする太陽光水素製造技術 が開発できれば、産業化への壁も幾分かは下がると考えています。具体的には、酸化鉄や鉄酸カルシウムなどの半導体電極を用いた太陽光水分解シ ステムの開発を目指します。 | ||
| 公募A03 | ||
| 研究代表者 | 根岸 雄一 | 東京理科大学・理学部・准教授 |
| 活性部位の原子レベル厳密組成制御技術の駆使による水分解光触媒材料の高活性化 | ||
| 水分解光触媒材料は多くの場合、半導体光触媒と助触媒ナノ粒子から構成されている。 こうした助触媒ナノ粒子の粒径微小化は、光触媒活性を向上させることが報告さ れている。本研究では、1）申請者の保有する一連の化学組成の精密金属ナノクラスター を、水分解光触媒材料の助触媒前駆体に用いることで、「原子精度で組成制御 された」「1nm程度の粒径の」「一連の化学組成の」金属ナノクラスターを水分解光触 媒上へ担持させる。2）得られた光触媒の触媒活性を測定することで、担持金 属ナノクラスターの化学組成と光触媒活性の相関を「原子精度にて」明らかにする。 また、3）得られた光触媒の構造解析を行うことで、電子/幾何構造が光触媒活性 に与える影響を明らかにする。以上の研究を通して、4）光触媒活性向上に対するキー パラメータを炙り出し、高活性水分解光触媒創製に対する新たな設計指針を打ち立てる。 | ||
| 公募A03 | ||
| 研究代表者 | 浅井 智広 | 立命館大学・生命科学部・助教 |
| 連携研究者 | 武藤 梨沙 | 大阪大学・蛋白質研究所・助教 |
| 高い水素発生活性を実現する［ＦｅＦｅ］型ヒドロゲナーゼの構造デザイン | ||
| 緑藻Chlamydomonas reinhardtiiの[FeFe]ヒドロゲナーゼ HydA1は、非常に高い水素発生活性をもつが、活性中心の形成と保持に厳密に嫌気的な環境を必要とするため、生化学的な解析や応用研究が困難である。本 研究課題では、酸素分圧1ppm以下の嫌気環境でのタンパク質生産を容易に実現できる「絶対嫌気性の光合成細菌Chlorobaculum tepidumの外来遺伝子発現系」を利用する。これにより活性中心を無傷で保持するHydA1を大量調製し、構造生物学的解析によっ て 高い水素発生活性を実現する構造要因を探る。得られた構造基盤を基にヒドロゲナーゼを任意にデザインし、高効率な光生物学的水素生産システム の創成を目指す。 | ||
| 公募A03 | ||
| 協力班員 | 加藤 隆二 | 日本大学・工学部・教授 |
| 分光計測による人工光合成反応系の機構解明 |
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| 人工光合成反応系の機構解明のための新しい分光技術を開発し、研究を展開する。 (1)「マイクロ波過渡吸収」マイクロ波の電場によって光触媒中に発生した電荷キャリヤの数や易動度に関する情報を得ることができる。少量の粉状試料で評価ができることも特徴。(2)「超高感度可視-近赤外吸収分光」吸光度10^-4程度の微弱吸収を計測できる。 結晶表面上の単分子膜の吸収など計測可能。 新しい計測手法であるため、様々な試料に関する計測結果を蓄積する必要があり、 材料開発を進めている研究グループとの共同研究の推進を積極的に行っていきたい。 | ||
| 公募A03 | ||
| 協力班員 | 田畑 仁 | 東京大学・大学院工学系研究科・教授 |
| 鉄系酸化物半導体のスピン秩序制御による光触媒高効率化 | ||
| 鉄系酸化物半導体は鉄さびの主成分で安価・安定な物質である。しかもバンドギャップが太陽光スペクトルの中心波長に対応する為、光触媒や光電極の有望な候補材料として数多く研究されてきた。しかし600nm以上の波長域では光電変換できない問題点があった。本研究ではdバンド電子論的見地からα-Fe2O3に4d、5d遷移金属やf電子系を置換することで電子軌道が混成してバンドギャップを狭帯化させ、光電変換の高効率化、利用可能波長の広帯域化を目指す。また酸化物に特徴的な極性結晶層を利用することで内部電界を積極的に活用した新しいデバイスを提案する。更に、従来積極的な利用がされてこなかった“スピン配列”に着目し、スピン三重項状態を利用した励起キャリア長寿命化による高効率化を狙う。フェライトエンジニアリングが太陽光エネルギー利用の新しい着目点として、新たな水素発生光触媒機能を有する人工光合成システムに貢献したい。 | ||