本文へジャンプ

Press Release

人工光合成を実現する混合粉末型光触媒シートを開発

―太陽エネルギー変換効率1.1%を達成―
2016年3月10日
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
人工光合成化学プロセス技術研究組合
TOTO株式会社

NEDOは、人工光合成化学プロセス技術研究組合(ARPChem)、東京大学、TOTO(株)とともに、太陽エネルギーを利用した光触媒による水からの水素製造(人工光合成の一種)で、2種類の粉末状の光触媒を用いた混合粉末型光触媒シートを開発、太陽エネルギー変換効率1.1%を達成しました。

開発したシートは、非常にシンプルな構造で、大面積化と低コスト化に適しており、安価な水素を大規模に供給できる可能性を持っています。

なお、今回の研究成果は、英国科学誌「Nature Materials」のオンライン速報版で公開されています。

  • 図 混合粉末型光触媒シートによる水分解の概念図
    混合粉末型光触媒シートによる水分解の概念図

1.概要

NEDOと人工光合成化学プロセス技術研究組合(ARPChem)※1は、「二酸化炭素原料化基幹化学品製造プロセス技術開発(人工光合成プロジェクト)」※2において、太陽エネルギーを利用して光触媒によって水から得られるクリーンな水素と、二酸化炭素を原料とした基幹化学品(C2~C4オレフィン※3)製造プロセスの基盤技術開発に取り組んでいます。このプロジェクトは、図1に示す3つの研究開発テーマで構成され、二酸化炭素排出量の削減に貢献可能な革新的技術開発の一つとして、中長期的に推進すべき研究に位置付けられています。

今般、NEDO、ARPChem、東京大学、TOTO(株)は、本プロジェクトにおいて、2種類の粉末状の光触媒と導電性材料をガラス基板に固定化した混合粉末型光触媒シートを開発し、本シートを用いて1.1%の太陽エネルギー変換効率を達成しました。

開発した混合粉末型光触媒シートは、水中に沈めて太陽光を当てるだけで、水を分解して水素と酸素を発生させることができ、非常にシンプルな構造で、大面積化と低コスト化に適しているため、安価な水素を大規模に供給できる可能性を持っています。さらに実用化を目指したプロセス開発も同時に行い、大量生産可能なスクリーン印刷法を利用した混合粉末型光触媒シートの塗布型化にも成功しました。

なお、今回の研究成果は、2016年3月7日(月)16時(英国時間)に英国科学誌「Nature Materials」のオンライン速報版で公開されています。

  • 図1 人工光合成プロジェクトの概要

(1)光触媒開発 太陽エネルギーを利用した水分解で水素と酸素を製造する光触媒材料およびモジュールの開発
(2)分離膜開発 光触媒から発生した水素と酸素の混合気体から水素を分離する分離膜およびモジュールの開発
(3)合成触媒開発 水から製造する水素と発電所や工場などから排出する二酸化炭素を原料としてC2~C4オレフィンの有用な基幹化学品を合成する触媒およびプロセス技術の開発

図1 人工光合成プロジェクトの概要

2.今回の成果

今回、この混合粉末型光触媒シートは、可視光を吸収する水素および酸素発生用の2種類の光触媒の粉末を混合してガラス基板上に塗布し、その上に導電層を蒸着して形成し、その後、導電層および光触媒層を剥離する粒子転写法プロセスにより開発しました(図2)。これにより、光触媒と導電層の接触抵抗を比較的容易に軽減することができました。

  • 図2 粒子転写法を用いた混合粉末型光触媒シートの作製方法
    図2 粒子転写法を用いた混合粉末型光触媒シートの作製方法

図3 混合粉末型光触媒シートからの水素と酸素の発生この混合粉末型光触媒シートは、シンプルな構造かつ補助電力等を使わず、水中で太陽光を照射するだけで水を分解することができます。また、同一面上で水素と酸素を生成することができるため、高性能を維持したまま大面積に拡張可能なことも特徴です。今回、この混合粉末型光触媒シートを用いて、太陽エネルギーを利用した水からの水素製造において、1.1%の太陽エネルギー変換効率を達成しました(図3)。
 さらに、将来の実用化の際に必須となる大量生産への展開を図るべく、上記の混合粉末型光触媒シートのコンセプトに基づき、簡便なスクリーン印刷による塗布型化にも成功し(図4)、水素および酸素の定常的な発生を確認しました。
 今回の混合粉末型光触媒シートのコンセプトでは高性能光触媒粉末の塗布コストが製造コストに直接反映されます。したがって今回のようなスクリーン印刷を用いる作成方法は大幅な製造コストの削減が期待でき、圧倒的に安価な水素製造のための水分解光触媒モジュールへの転換点となる可能性のある研究成果です。

今後、実用化に向けた水素製造デバイスおよびモジュール構造の最適化を進め、2021年度末までに太陽エネルギー変換効率10%の達成を目指します。

  • 図4 スクリーン印刷による混合粉末型光触媒シートの作製方法(左)と10cm角の混合粉末型光触媒シート(右)
    図4 スクリーン印刷による混合粉末型光触媒シートの作製方法(左)と
    10cm角の混合粉末型光触媒シート(右)

【用語解説】

※1 人工光合成化学プロセス技術研究組合(ARPChem)
参画機関: 国際石油開発帝石(株)、住友化学(株)、TOTO(株)、(一財)ファインセラミックスセンター、富士フイルム(株)、三井化学(株)、三菱化学(株) (五十音順)
※2 二酸化炭素原料化基幹化学品製造プロセス技術開発(人工光合成プロジェクト)
人工光合成とは太陽エネルギーを用いて、水や二酸化炭素等の低エネルギー物質を、水素や有機化合物等の高エネルギー物質に変換する技術で、本プロジェクトでは、2012~2021年度の研究期間で、人工光合成に係る基盤技術開発に取り組んでいる。2012~2013年度は経済産業省、2014年度からはNEDOのプロジェクトとして実施中。
※3 C2~C4オレフィン
二重結合を1つ含む炭化水素化合物で、炭素数2から4のもの。C2はエチレン、C3はプロピレンと呼ばれ、プラスチック原料等となる基幹化学品として用いられる。

3.問い合わせ先

(本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先)

NEDO 環境部 担当:服部、山野 TEL:044-520-5250

人工光合成化学プロセス技術研究組合 担当:西見 TEL:03-5809-2314

TOTO(株) 広報部 担当:桑原、柴崎 TEL:03-6836-2025

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)

NEDO 広報部 担当:髙津佐、坂本、佐藤 TEL:044-520-5151 E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp