大阪大学産業科学研究所の真嶋哲朗教授、藤塚守准教授らの研究グループは、黒リンとグラファイト状窒化炭素（g-C ₃ N ₄ ） の二成分からなる複合体を用いた光触媒 を開発し、この光触媒を使用すると可視光・近赤外光 の照射によっても、水から水素生成が効率よく起こることを世界で初めて見出しました。この触媒は金属を全く使用していない、環境に好ましい、完全金属フリーの触媒です。

従来の光触媒では、太陽光に4％程度しか含まれていない紫外光を利用するため、水から水素への太陽光エネルギー変換効率 は低く、実用からは遠いという問題がありました。

今回、真嶋哲朗教授、藤塚守准教授らの研究グループは、紫外・可視光のみならず近赤外光にも強い吸収をもつ層状の黒リン と、数層からなるg-C ₃ N ₄ との二成分からなる複合体を合成しました （図1） 。この複合体に可視光・近赤外光を照射すると、複合体の光触媒作用によって、水から水素が効率的に生成します。この複合体において、黒リンが可視光・近赤外光に応答する光増感剤 として働き、また、g-C ₃ N ₄ が可視光に応答する光増感剤として働きます。黒リンとg-C ₃ N ₄ はともに層状構造のためその界面を形成しやすく界面間での電荷移動が容易になりその結果電荷分離が効率的に進行します。特に、黒リンとg-C ₃ N ₄ との界面にP-N結合が生成して電子捕捉部位となり、水から水素が生成することは、本研究成果により世界で初めて明らかになりました。

この可視光・近赤外光駆動型で水から水素を生成する光触媒は、金属を全く使用しない完全金属フリー光触媒としては世界初めての例です。新しく開発した黒リンとg-C ₃ N ₄ の複合体を光触媒として使用することによって、太陽光からの広帯域波長光 を利用して、水からの水素製造が可能になりました。

本研究成果は、米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」に、9月21日に公開されました。

図1
黒リンとグラファイト状窒化炭素（g-C ₃ N ₄ ）の二成分複合体からなる光触媒の透過型電子顕微鏡写真。

現在の太陽光エネルギー（主に太陽光電池）のコストは化石燃料に比較して高価なため、十分に広まっていません。そこで、太陽光エネルギーを利用して水素を高効率に製造できる光触媒の開発が望まれています。

今回、真嶋哲朗教授、藤塚守准教授のグループは、黒リン、グラファイト状窒化炭素（g-C ₃ N ₄ ）との二成分からなる、完全金属フリー光触媒を開発し、可視光・近赤外光の照射によって、水からの水素の高効率生成に成功しました。

本研究成果により、次世代エネルギーとして検討されている、水素を基本とするエネルギー社会（水素社会）において、その根幹となる、太陽光による水素製造の実現へつながること、同時に環境問題の解決にも大きく貢献することが期待されます。

水素を再生可能な自然エネルギーである太陽光と地球上に豊富に存在する水から効率的に製造できれば、現在の化石燃料社会から水素をエネルギー源とする水素社会への移行が現実のものとなります。

本研究成果は、平成29年9月21日の「Journal of the American Chemical Society」に掲載されました。

タイトル：“Metal-Free Photocatalyst for H2 Evolution in Visible to Near-Infrared Region: Black Phosphorus/Graphitic Carbon Nitride”
著者名：M. Zhu, S. Kim, L. Mao, M. Fujitsuka, J. Zhang, X. Wang, and T. Majima

太陽光エネルギーを利用した光触媒（人工光合成とも呼ばれる）の研究は、エネルギー問題や環境問題に関連して、世界中の研究者によって活発に行われています。特に米国、韓国、中国での注目度は高く、度々の招待講演を行っています。