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。

電子化物 / エレクトライド / 材料設計 / 半導体 / 触媒 / 新物質 / 新材料 / 金属間化合物 / バンド構造 / 電子物性 / モット絶縁体 / トポロジカルエレクトライド / 2次元エレクトライド / 選択的水素化触媒

電子化物（エレクトライド）の物質コンセプトの拡張と新物性の探索、ならびにそれを利用した応用への展開を行った。これまでバルクの電子不足型イオン結晶を母体とする物質に限定されていた電子化物のコンセプトを、表面、中性・電子過剰型、金属間化合物に拡張することに成功した。新物性では１次元電子化物がMott型の絶縁体であること、２次元電子化物がトポロジカル物質のプラットホームになること、希土類炭化物電子化物でアニオン電子の媒介による強磁性、水中でも安定な電子化物などを発見した。応用では、アモルファス電子化物薄膜が低仕事関数で高い透明性を有し有機ELの電子注入層材料として優れていることなどを見出した。

社会的意義として最も重要な成果は、温和な条件下でアンモニア合成を可能とする触媒として、これまで必須とされていたルテニウムを使わずに、ニッケルと表面電子化物を組み合わせやCoの金属間化合物の電子化物で、それに匹敵する活性を実現したことである。この成果は水素社会実現のためのキー物質となりつつある、アンモニアのハーバー・ボッシュ法に代わる新合成プロセスの開発に繋がると期待される。上述の研究成果は、Chemical Reviewに65ページの招待総説として2021年に発表した。

ミクロポア / 層間架橋 / 半導体 / 層状チタン酸塩 / 触媒 / 吸着 / ミクロポーラスクリスタル / 分子認識 / ミクロポア多孔体 / 光化学触媒 / ゲルマニウムクラスレート

粘土のケイ酸塩層間を架橋して得られる粘土層間架橋多孔体の出現は、それまで、ゼオライトだけに限られていたミクロポア多孔体の種類を大幅に拡大することに成功した。本研究では、層間架橋の手法を層状チタン酸塩に適用し、半導性ミクロポア多孔体を合成し、その特性を生かした機能性材料の応用開発を行う.
1.シリカ架橋層伏チタン酸塩の合成と吸着特性
Rb_<0.75>Mn_<0.75>Ti_<1.25>O_4のRbイオンをアルキルアンモニウムイオンで交換し、チタン酸塩層間を拡げてから、テトラエトキシシラン(TEOS)を層間で加水分解し、その後、熱分解を行うことによってシリカ架橋多孔体を合成した.吸着侍性の詳細な解析を行い、多孔体の細孔は疎水性を有し、ゼオライトに類似した均一なミクロポアからなることを明らかにした.窒素吸着曲線はミクロポア多孔体に特有のLangmuir型であり、多孔体は600℃の高温まで、500m^2/g以上の高比表面積を保持する.
2.層状チタン酸塩層間層間架橋体の精密細孔制御.
酸化によりイオン交換容量を調整した層状チタン酸塩を用いることにより、細孔径が制御できることを明らかにした。しかし、交換容量が減少すると、予想とは逆に、細孔径は増大する傾向にあり、これはシリカ架橋の生成機構と関連すると思われる。
3.半導体ミクロポーラスクリスタルの触媒への応用
架橋多孔体にイオン交換性を回復することに成功し、銅イオンを担持した半導性ミクロポア多孔体を合成した。この多孔体はCOの酸素酸化反応に活性が高いことを見出した。銅を担持していないシリカ架橋多孔体においては、触媒活性を示す温度は100℃近く高く、シリカ架橋していないチタン酸塩は全く触媒活性を示さなかった。

【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】
松石聡	東京工業大学	元素戦略研究センター	准教授	(Kakenデータベース)
多田朋史	東京工業大学	元素戦略研究センター	特任教授	(Kakenデータベース)
井手啓介	東京工業大学	科学技術創成研究院	助教	(Kakenデータベース)
金正煥	東京工業大学	元素戦略研究センター	助教	(Kakenデータベース)
飯村壮史	東京工業大学	元素戦略研究センター	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
川路均	東京工業大学	応用セラミック研究所	助教授	(Kakenデータベース)