研究内容
持続可能な社会の実現には,究極の再生可能エネルギーである太陽光の有効利用や,環境負荷の少ない物質循環を実現する技術が必要です.光触媒は,熱力学的に不利なエネルギー蓄積型物質変換でも進行させ得るので,太陽光から水素への直接的なエネルギー変換や,人工光合成(二酸化炭素の還元・水からの水素製造)などを可能にし,環境・エネルギー問題の解決に貢献できる重要なキーテクノロジーといえます.
光触媒の理解と高機能・高性能化を目的として,当研究室では,固体光触媒の合成・調製(物作り),光触媒反応(化学反応・生成物評価),光触媒の構造・反応メカニズム解明(材料物性分析)を全て行っていることが特徴となっています.様々な機能性材料(自動車用触媒,ナノ金属触媒,発光材料 etc.)や新しい環境調和型化学反応の開発にも取り組んでいます.
光触媒による二酸化炭素還元反応(人工光合成反応)
光触媒による水素生成反応と光触媒の可視光応答化
水素を化石資源からではなく,再生可能エネルギーと再生可能資源から製造することを目的として,水やバイオマスから水素を発生させる光触媒反応について研究しています.半導体光触媒による水素生成反応は紫外光照射下でのみ進行するものが多いため,太陽光の有効利用を考えると可視光照射下でも働く光触媒を開発することが重要な課題となっています.プラズマ処理によって触媒表面をナノ構造化したり,半導体光触媒に様々なイオンや金属ナノ粒子を添加し,その構造や化学状態を制御することによって,バンド構造の改良や光吸収サイトの導入を行い,可視光照射下でも働く光触媒へと改質しています.
理論計算に基づく光触媒材料の評価と設計
光触媒による二酸化炭素還元反応や水素生成反応には,電子の励起や移動が関わってきます.そのため,合成した光触媒材料が本質的に持つ電子の状態を評価することは非常に重要です.当研究室では,VASPやWIEN2k等の計算コードを用いた第一原理計算により,合成した光触媒材料中の電子の振る舞いを調べることで,材料の性質を明らかにしています.特に,光触媒に添加したイオン・金属ナノ粒子によるエネルギー準位の形成や,触媒反応の起こる表面での電子移動・反応性を評価し,光触媒反応の理解や改良に役立てています.
先端的ナノ分析手法
固体触媒反応を制御するためには,反応中に変化し続ける活性点(触媒作用を起こす部分)の原子構造や電子状態を理解することが必要不可欠です.当研究室ではシンクロトロン分光技術(XAFS, XPS)と電子顕微鏡技術(TEM, STEM, EELS)を融合させた最先端ナノ分析技術の構築にも取り組んでいます.この技術によって固体触媒中の様々な原子構造や化学状態を分離し,活性点の原子構造や電子状態を明らかにしています.また活性点が固体触媒のどの位置に分布しているかを1ナノメートル程度の分解能でマッピングしたり,反応中その場観察(Operando IR・光吸収・発光測定)をすることによって反応メカニズムを解明しています.これら分析技術に支えられて新しい固体触媒の合理的な設計・開発が可能になると考えています.