高効率で実用的な光触媒反応システムを開発 水素と酸素の発生セルを独立：研究開発の最前線

名古屋大学らは高効率かつ実用的な水分解光触媒反応システムを開発した。

[MONOist]

　名古屋大学は2025年3月11日、信州大学や東京大学、山東大学との共同研究で、高効率かつ実用的な水分解光触媒反応システムを開発したと発表した。同研究は、名古屋大学大学院工学研究科 准教授の王謙（オウケン）氏、特任助教の呉亜強（ウヤジャン）氏、博士前期課程学生の櫻井拓弥氏らの研究グループや、信州大学/東京大学 教授の堂免一成氏、山東大学 教授の王 朋（オウポン）氏らの研究グループが務めた。

同研究の概要

　太陽光と光触媒を利用した水分解反応は、持続可能なグリーン水素製造技術として期待されている。しかし、従来の技術では、「光触媒の反応効率の低さ」「水素と酸素が混在することによる逆反応」「生成ガスの分離の必要性」といった課題があり、実用化の大きな障壁となっていた。

　この解決策として、今回の研究グループは、水素発生セルと酸素発生セルを独立させた設計により、水から水素と酸素を分離して生成する光触媒システムを開発した。水素発生用セルには、セレン化モリブデン［MOSe₂］を担持したハロゲン化ペロブスカイト［CH（NH₂）₂PbBr_3-xI_x）］光触媒を、酸素発生セルにはニッケル―鉄層状複水酸化物［NiFe-LDH］をコーティングしたバナジン酸ビスマス［BiVO₄］を使用。同システムではこれらのセル間の電子移動を、I₃^-/I^-電子伝達材を介して促進させることで、太陽光エネルギー変換効率（STH）で2.47％を実現することに成功した。

水素発生と酸素発生を分離したZスキーム型水分解反応システムのイメージ図［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　さらに、このシステムをスケールアップした692.5cm²の屋外実験システムでは、平均1.21％のSTHを1週間維持することを実現。具体的には、アクリル基板上にペロブスカイト光触媒を固定化し、NiFe-LDH/BiVO₄//CCシステムと統合したパネル型リアクターを作製。また、屋外での実証実験として、5つのリアクター（692.5cm²）を組み込んだシステムの連続運転を太陽光の下で1週間実施したところ、水から水素と酸素を安定的に分離生産でき、システム全体では、STHが平均1.21％という成果が得られた。

（a）パネル型リアクターの拡大図。上が水素発生セル、下が酸素発生セル。（b）屋外実験モジュールの外観、（c）午前11時〜午後2時を1サイクルとした場合の水素と酸素の収率およびSTH値［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　なお、これまでのZスキーム型光触媒システムは、電子伝達材の副反応と水分解反応が競合し、水素への変換効率が制限されることや、同じセル内で水素と酸素が生成されるため効率が低下するといった問題があった。

　今回のシステムはこれらの課題を解消する設計になっており、屋外実証実験の結果から大規模化のポテンシャルも高いと考えられる。

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