太陽光によりH2O2からH2を製造する光触媒技術

研究の概要

過酸化水素（H₂O₂）は、漂白剤や消毒剤として重要な化学物質であるほか、燃料電池発電の燃料として有望視されるエネルギーキャリアである。しかし、水素ガス（H₂）を生成させることは困難であり、水素キャリアとしては利用できないと考えられていた。本研究開発において、リン酸（H₃PO₄）とメタルフリー粉末光触媒をH₂O₂水溶液に加えて太陽光を照射する方法により、 H₂O₂ からH₂を生成させることに成功した。 H₂O₂ を水素・エネルギーキャリアとする新エネルギー社会の実現に向けての社会実装が期待できる。

研究の背景と結果

H₂O₂ は漂白剤や消毒剤として重要な化学物質であるほか、燃料電池発電の燃料として利用できるため、近年は、再生可能エネルギーの貯蔵・輸送を担うエネルギーキャリアとして注目されている。従来、 H₂O₂ は、H₂とO₂を多段階で反応させるエネルギー多消費型の方法により合成されている。一方、最近では、太陽光エネルギーにより水と酸素（O₂）から H₂O₂ を合成する（H₂O + 1/2O₂ → H₂O₂ ）省エネルギー性の高い光触媒型 H₂O₂ 製造法も開発されており、 H₂O₂ のエネルギーキャリアとしての利用可能性も高まっている。
H₂O₂ をエネルギーキャリアとして社会実装するには、水素キャリアとしても利用できることが不可欠である。すなわち、図１のようにH₂O₂からオンサイトでH₂を生成させる反応技術（H₂O₂ → H₂ + O₂, ΔG = +131 kJ mol^–1，式①）が必要である。ところが、H₂O₂の還元（H₂O₂ + H⁺ + e^– → H₂O + OH，H₂O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O，式④）がH⁺の還元に優先して進行してしまう。さらに、光触媒として頻繁に用いられる金属・金属酸化物半導体を用いた場合には、表面でH₂O₂が分解されてしまう（H₂O₂→ H₂O + 1/2O₂, Δ G = –117 kJ mol^–1，式⑤）。そのため、これまでH₂O₂水溶液からH₂を生成させた例はなかった。
我々は、リン酸（H₃PO₄）と、炭素と窒素からなる有機半導体（グラファイト状窒化炭素：g-C₃N₄）にH₂生成の過電圧を下げる炭素助触媒（グラフェン量子ドット：GQDs）を担持したGQDs/g-C₃N₄メタルフリー粉末触媒をH₂O₂水溶液に入れて、太陽光（可視光）を照射することにより、H₂が生成することを見出した（図2）。メタルフリー触媒であるためH₂O₂の分解（式⑤）が進行しないほか、H₂O₂とH₃PO₄が水素結合することにより安定化錯体（図1右）を形成して、H₂O₂の還元（式④）を抑制し、H⁺の還元（式③）を促進できるようになる。H₃PO₄は、古くから安定化剤として市販のH₂O₂水溶液に加えられている。そのため、H₃PO₄を含むH₂O₂水溶液を貯蔵・輸送し、安価なメタルフリー光触媒を用いてオンサイトでH₂を製造する、新たなエネルギー循環に向けての社会実装が期待できる。

研究の意義と将来展望

エネルギーキャリアは非化石燃料依存型社会を実現するための鍵物質と考えられている。気体であるため貯蔵・輸送の困難なH₂に代わり、液体であるH₂O₂は有力な候補であるが、H₂を生成させることはできず、水素キャリアとしては利用できないと考えられてきた。我々の開発した方法では、古くから安定化剤として用いられているリン酸（H₃PO₄）をH₂O₂水溶液に入れ、安価なメタルフリー光触媒を加えて太陽光を照射する簡便な操作によりH₂を生成させることが可能である。選択率の向上およびH₂生成活性の向上が不可欠であるものの、これまで不可能と考えられてきた本反応を、H₃PO₄とメタルフリー光触媒の添加により進めることができる点は、H₂O₂の水素キャリアとしての利用可能性を飛躍的に向上させるはずである。

担当研究者

准教授　白石 康浩（基礎工学研究科　物質創成専攻　化学工学領域・附属太陽エネルギー化学研究センター）

キーワード

光触媒／太陽光／過酸化水素

応用分野

環境浄化／殺菌／エネルギー製造

参考URL

https://www.nikkan.co.jp/spaces/view/0054028
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200707_1

※本内容は大阪大学共創機構 研究シーズ集2022（未来社会共創を目指す）より抜粋したものです。