日本の化学産業は、基幹化学品から機能性化学品まで様々な高い国際競争力を誇る製品を多数生み出す一方、製造原料として化石資源を大量に消費し、二酸化炭素排出量も日本の製造業中、鉄鋼業に次ぎ、約16％を占めています。地球温暖化問題を解決し、持続可能な低炭素社会を実現していくためには、太陽エネルギー等の再生可能エネルギーを活用し、化石資源に頼らない革新的な化学品の製造技術が必要となります。

そこで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、人工光合成^※3の一種である太陽エネルギーを利用した光触媒による水分解で製造した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^※4）の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ものと位置付けられています。

• (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 ： 同時に発生する水素と酸素を分け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オレフィン等の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　本事業の概要

今回、(1)光触媒開発において、可視光領域の光を吸収する水素発生用光触媒と酸素発生用光触媒材料を高性能化し、さらに組合せの最適化を図った結果、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で世界最高レベルとなる太陽エネルギー変換効率2％を達成しました。

今後、開発した材料を含めた様々な光触媒材料系を対象に、材料の組成の最適化、低欠陥な結晶が得られる合成方法の開発および化学反応を活性化する材料表面の最適化等を進めることにより、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。さらに、光触媒を組み込んだ水素／酸素製造用の光触媒モジュールの開発を進め、プロジェクト全体として、同時に開発している分離膜技術および合成触媒技術を組み合わせることにより、新規な基幹化学品製造基盤技術を確立します。

人工光合成による水素の製造は、現状の天然ガスやナフサといった化石資源を原料とする水素製造や、太陽電池等を用いた水の電気分解による水素製造に次ぐ、次世代の水素製造技術と位置付けられます。今回の成果を踏まえて競争力のある基盤技術とするべく、研究開発を進めていきます。

将来的には、オレフィン原料の化石資源依存を低減するとともに、二酸化炭素固定化による地球温暖化防止への寄与も期待されます。

光触媒は、太陽エネルギーを化学エネルギーに変換する固体物質です。従来の光触媒材料ではその吸収波長が主として紫外光領域に限られるものが多く、太陽エネルギー変換効率の向上のためには、可視光から赤外光領域にかけての光を利用できるように、光触媒の吸収波長を長波長化することが課題の一つでした。このため、従来よりも長波長の光を吸収する光触媒材料を探索すると同時に、光触媒による水分解において水素の発生と酸素の発生を担う光触媒材料を分けることで、材料選択の幅を広げてきました。

今回、可視光領域の光を吸収する水素および酸素発生用光触媒の中で組み合わせの最適化を図り、シート状に成形した光触媒を用いて、性能評価のためにパラレルセル（図2）を作成し、太陽エネルギー変換効率を測定しました。その結果、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において、太陽エネルギー変換効率の最高値2.2％、1時間平均値で1.95％を達成しました（図3）。この値は現段階で世界最高レベルとなります。

さらに、将来の実用化を想定して、水素および酸素発生用光触媒を同じ基板上に成形した混合型光触媒シートも開発し（図4）、水素と酸素の発生を確認しました。

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  図2　パラレルセルを用いた光触媒による水分解の概念図
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