Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

水素 / 人工光合成 / 半導体 / 触媒 / 表面修飾 / カルコゲナイド / 酸化物 / 酸窒化物 / フォトルミネッセンス / 光触媒・光電極 / GaN / 表面・界面準位 / 多層構造 / 太陽エネルギー / 近赤外光 / 光電極 / 光電極・光触媒 / イオン交換樹脂 / 近赤外 / 太陽光 / 光触媒 / 光電気化学 / エネルギー変換 / 再生可能エネルギー / エネルギー全般 / 触媒・化学プロセス

Cu(In,Ga)Se2、(ZnSe)0.85(Cu(In,Ga)Se2)0.15、CdTeをはじめとした紫外～可視～近赤外光を有効に利用し得る近赤外光応答型光触媒電極を開発した。これらを用いて可視域に吸収端を有する酸素生成光触媒電極とタンデム型反応系を構築し、太陽エネルギー変換効率2%以上で水分解反応を進行、水素を生成することに成功した。また、反応系の高耐久化に有効な過酸化物還元による安定化被膜形成法、およびイオン交換樹脂を用いた表面修飾を新規に見出した。さらに、高効率化・学理確立に必須な、反応進行中の光励起キャリアの振る舞いをフォトルミネッセンスから観察することに成功した。

光触媒やそれらからなる電極を用いた水分解反応は、簡便かつ安価に水から水素が得られる画期的手法として期待されています。一方、特に効率の観点で実用に不十分であることが最も大きな課題です。本研究では、上述の手法を用いて太陽光を有効に利用可能であることを実験的に示し、これまで知られていなかった課題を抽出すると同時にその解決策を提示することができました。さらに、光触媒材料が光を吸収した際に内部に生じる電子と正孔というプラスとマイナスの電荷がどういった経路をたどって水分解反応にたどり着くのか、また、その損失の原因は何なのかというところまでの現象の理解につながる新しい計測手法を開発、一部観察に成功しました。

スマートフード / 情報通信技術 / 食のライフスタイル / 家庭内生産関数 / コンビニエンスフード / 産業連関分析 / スマートアグリ / ユニットストラクチュア / マネジメントシステム / 食卓の豊かさ / 食卓の近接度 / 家計調査 / 消費者効用 / 食生活 / 再生可能エネルギー / 水素 / 全国消費実態調査 / 食MAP / 産業連関表

このプロジェクトでは、2つの研究を実施した。第一に、情報通信技術(ICT)を活用したスマートフード/農業システムが経済にもたらす効果を、産業連関分析によって評価した。その結果，こうしたシステムは，モノづくり部門とサービス部門との間に新たな経済的相互依存関係をもたらすことを明らかにした。
第二に，スマートフードシステムの利用行動について考察するために，調理の手間とコンビニエンスフードの使用強度の指標を定義し，食事の家庭内生産モデルを提示した。そしてスマートフードシステムにより、家庭の主婦が各自の好みに合ったコンビニエンスフードを探索できることを通じ，彼らの調理努力が減少するプロセスを明らかにした。

電気分解 / 固体酸化物電気分解セル / 再生可能エネルギー / 水 / 二酸化炭素 / 水素 / 電気分解セル / 非定常電力

再生可能エネルギーの普及に伴い、その不安定な非定常電力を固体酸化物電気分解セル（Solid Oxide Electrolysis Cell）により電気分解にて活用する可能性を検討した。従来のSOECの課題は大面積化が困難な点である。そこで金属基板上にSOEC層を形成した金属基板SOEC（MS-SOEC）を開発した。新たに提案した成膜条件によるMS-SOECを開発し、このセルを用いて電気分解を実証した。この手法により、SOECの大面積化が可能となる見通しを得、再生可能エネルギーの非定常余剰電力を水、二酸化炭素電気分解で製造した水素、一酸化炭素として活用できる可能性を見出した。

人工光合成 / 水素 / 水分解 / 生体模倣 / 電子移動 / 電極触媒 / 水素製造 / 再生可能エネルギー

生体マンガン触媒と人工マンガン触媒の酸素発生反応の活性の違いが、Mn3＋反応中間体の安定性の違いに由来するとの仮説を立て、人工触媒の高機能化に取り組んだ。Mn3+の安定化するための手法として協奏的な電子プロトン移動に着目することで、中性のpH環境で触媒活性が大幅に向上することを実証した。また、触媒の結晶面の制御、ならびに微粒子化によりMn3+が特異的に安定化され、活性が向上することを見出した。さらに、貴金属触媒の酸素発生メカニズムとマンガン触媒のメカニズムを比較することで、反応中間体のスピン状態制御が普遍元素を用いた触媒開発のカギとなることを示した。

水素製造 / 廃プラスチック / 触媒水蒸気改質 / 熱分解 / ルテニウム / PET / 水素 / 廃棄物再資源化 / 再生可能エネルギー / 環境技術

バッチ式の熱分解・水蒸気改質装置を用いて、プラスチックの大半を占めるポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)及びポリスチレン(PS)の3種類の純粋なプラスチック材料について、改質触媒として、Ru/Al_2O_3触媒を用いて、改質温度、触媒層での滞留時間、水蒸気比(投入する水蒸気のモル数[モル/秒】/熱分解ガス中のCのモル数【モル/秒】)の3つの運転パラメータが、水蒸気改質特性に与える影響を調べた。
最初に、滞留時間を1.5秒、水蒸気比を1に固定して、改質温度が水蒸気改質反応に及ぼす影響を調べた。その結果、改質温度が高いほど、ガスへの転換率、水素生成量共に増加するが、いずれのプラスチック材料も、600℃でほぼすべてガス化され、無触媒条件下においては1000℃以上の改質温度が必要とされるが、それより約400℃低い温度で十分改質が可能であることがわかった。次に改質温度を600℃、水蒸気比を1に固定して、触媒層での滞留時間を変化させて、その影響を調べたところ、完全にガス化し、十分な水素生成を行うには、プラスチック材料の種類により、1〜1.5秒程度の滞留時間が必要であることがわかった。さらに、改質温度を600℃、触媒層内での滞留時間を0.9秒に固定して、水蒸気比が水蒸気改質特性に及ぼす影響を調べた。その結果、いずれのプラスチック材料でも、50〜65%の水素濃度の生成ガスが得られており、本システムが水素リッチなガス生成に有効であることが示された。
最後に、熱分解ガスを冷却すると、テレフタル酸等の凝縮物が生じることから、熱分解処理が困難とされていたPET材に注目し、上述のような実験を行った。その結果、熱分解生成物のうち、凝縮物が40%を占めて、ガス成分が25%しかなく、そのガス成分中には水素がほとんど含有されていなかったのに、触媒水蒸気改質を行った結果、凝縮物は完全になくなり、全体の30%を占める残渣以外はすべてガス成分に変換され、ガス中の水素濃度も44%にまで上昇することが確認された。

【研究分担者】
杉山正和	東京大学	先端科学技術研究センター	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
劉醇一	千葉大学	大学院工学研究院	准教授	(Kakenデータベース)