半導体－非水溶液界面を利用した高起電力光電気化学セルの研究と人工光合成系への展開

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本研究課題では、半導体-非水溶液界面での光電気化学反応を利用し、太陽光エネルギーを有用な化学エネルギーキャリアの形態へと変換する、新規な「人工光合成系」の構築を目的としている。本年度は、太陽光エネルギーを用いた、より有用なエネルギーキャリアの合成を試みた。具体的には、より長波長域の可視光を利用可能な光カソード材料の開発、及び水とトルエンを反応物とした光電気化学的なメチルシクロヘキサン(MCH)の直接生成について検討を行った。光カソード材料の開発では、波長800 nmまでの可視光を利用可能な、セレン化亜鉛と銅インジウムガリウムセレンの固溶体(ZnSe:CIGS)の粉末材料をターゲットとした。本検討では、材料合成の各種パラメーターを変更した際の光電気化学特性への影響をより簡便に調査するために、水からの水素生成反応によって性能の評価を行った。合成時に添加剤として微量の硫化ナトリウムを加えることで、得られる光電流値を２倍程度向上可能であることを見出した。これは、硫化ナトリウムが合成時に使用しているアルカリ金属系のフラックスから、アルカリ金属種の取り込みを大きく促進しているためであることを明らかとした。粉末の合成条件だけでなく、電極の裏面構造や表面修飾など総合的な電極デザインを行うことで、ハーフセル太陽光-水素変換効率が最大で1.1%という、粉末系の中では非常に高い値を達成した。上記の成果の一部については、国内学会で既に報告しており、英語原著論文にも投稿中である。ZnSe:CIGS光カソードを用いて膜-電極接合体(MEA)を作製することで、疑似太陽光照射下で水とトルエンを反応物とした光電気化学的なMCH生成を試みた。この際、電極表面の活性点構築が反応の活性・選択性に大きく影響することを見出した。これらの知見に関しては現在特許申請中であり、英語原著論文も投稿準備中である。