脱炭素化を実現するには、信頼性の高いクリーンエネルギー源を大規模に開発しなければなりません。化石燃料からの転換における鍵の一つが水素です。水素は長期間の貯蔵が可能であり、天然ガスの代替としてタービンの動力源や、クリーンな燃料電池の燃料として利用できます。国際エネルギー機関（IEA）は、2050年までにネットゼロエミッションを達成するには、世界の総エネルギー消費量の少なくとも10%を水素で賄う必要があると指摘しています。
現在も水素は生産されていますが、米国における水素生産の95%は化石燃料を燃焼させて抽出する方法に依存しており、排出量が多く、脱炭素化には寄与していません。そのため、再生可能エネルギーを用いて水分子を分解し、クリーンな水素を生成することが重要です。太陽エネルギーを利用して水を水素と酸素に分解する技術は、化学における「聖杯」の一つとも呼ばれています。
しかし、この反応を商業化に十分な規模で実現することは依然として課題です。それには関与する材料に非常に特殊な特性が求められ、科学者たちは何十年にもわたって適切な候補物質の探索を続けてきました。CASの私と同僚たちは、最近、光触媒に関する研究状況を調査しました。CAS Content CollectionTMから得られた私たちの知見は、科学コミュニティが商業化に向けて大きな前進を遂げていることを示しています。
重要な課題は残されていますが、この研究に携わるには非常にエキサイティングな時期です。
光触媒とは何か？
光触媒とは、通常水系媒体中に分散させた半導体材料に光を照射することで、電子と正孔のペアを形成し、化学反応を促進させる技術です。1972年に本多健一氏と藤嶋昭氏によって初めて実証されたこの反応は、水中に沈めた二酸化チタン電極に光を照射することで起こりました。反応によって生成された正孔が周囲の水分子から電子を引き抜くことで、水が酸素と水素に分解されます。
このプロセスにより、排出ガスを出さない水素生産が可能となり、貯蔵してクリーンな燃料や化石燃料の代替として利用できます。光触媒は他の分野の環境浄化、特に水質浄化や廃水中の汚染物質の分解にも期待されています。すでに水中の微生物や、染料や化学物質といった有機物の分解に成功しています。このプロセスは土壌中の農薬の浄化にも応用できる可能性があり、水や溶液中での反応を超えた技術の重要な進歩といえます。
複雑なインフラを必要とせずにクリーンな水素を生成することは、このプロセスの最も緊急性の高い用途といえます。光触媒は水に粉末を加えるだけで実施できるため、太陽光発電を利用した電解装置による他の排出ゼロの水素生成方法よりもはるかに簡便です。そのため、研究者たちは適切な光触媒を見つけ、このプロセスを商業的に実現させるための取り組みを加速させています。
光触媒に関する最新の研究
CAS Content CollectionTMを分析した結果、学術論文や特許文献で最も多く引用されている概念は、光触媒反応と光触媒自体の材料特性に関するものでした。光触媒が化石燃料と経済的に競合するためには可視光を利用する必要があるため、これは理にかなっています。太陽光の大部分は可視光領域にあるため、大規模な反応を低コストで駆動させるには、この光を利用する必要があります。具体的には、太陽光から水素への変換効率（STH）を少なくとも6〜10%以上に高める必要があります。
光触媒がこれを達成するにはどのような特性が必要でしょうか。まず、伝導帯と価電子帯が特定のエネルギー位置にある必要があります（図2）。これらのバンドの位置関係によって電子の移動が可能となり、これは半導体の特性であり、光触媒反応に不可欠な要素です。伝導帯は0ボルトで負の値、価電子帯は1.23ボルト以上で正の値である必要があります。光触媒のバンドがこれらの位置にない場合、反応に必要なエネルギーが不足してしまいます。
次に、伝導帯と価電子帯の間のエネルギー差であるバンドギャップが、可視光を吸収できる必要があります。この条件を満たすには、バンドギャップが1.23〜3.1ボルトの範囲内であるべきです。二酸化チタンはバンドの位置が適切で安定した材料ですが、可視光を吸収できないため、大規模な光触媒反応に用いるには経済的ではありません。そのため、過去10年間、研究者たちは他の光触媒に注目しています。
図3に示すように、二酸化チタン以外で最も研究されている光触媒には、酸化亜鉛、窒化炭素、金属有機構造体（MOF）などがあります。
これらの光触媒に共通する特性は、バンドギャップが3.0ボルト未満であり、可視光を吸収できる点です（図4）。しかし、こうした特性を備えていても、現在検討されている光触媒には依然として欠点があります。そのため、科学者たちは反応効率を向上させるためのさらなる選択肢を模索しています。
今後の課題
分析が示す通り、太陽光を集中させる手法を除けば、検討対象となっている光触媒はSTH効率の閾値である6%に達していません（図4）。
研究者たちは、適切なバンド位置とバンドギャップを得るために触媒の組み合わせを試みています。現在最も有望視されている技術は、ステップスキーム（Sスキーム）ヘテロ接合、つまりバンド構造がずれた2種類の光触媒を組み合わせる手法です。これらが連携することで、電子を駆動させて光触媒反応を強力かつ効率的に進行させることが可能となり、技術普及に向けた大きな一歩となります。i
しかし、単に2つの触媒を組み合わせるだけで済むほど単純ではありません。材料を組み合わせると、予期せぬ結果が生じることがあります。例えば、目的の反応が起こる前に電子と正孔が再結合してしまう現象です。研究者たちは、この再結合プロセスを制御するために助触媒の研究を進めています。光触媒の表面に助触媒を担持させることで、生成された電荷キャリアの利用を加速させることができます。現在、複数の助触媒材料が研究されており、課題は残るものの、光触媒の未来は明るいと言えます。
水素燃料社会の実現に向けて
排出ガスを出さずに水を水素と酸素に分解することは容易ではなく、科学者たちは数十年にわたり取り組んできました。化石燃料をクリーンな水素に置き換えるほどコスト効率を高めるには、まだかなりの進歩が必要です。
課題は山積していますが、克服不可能という理由はありません。CAS Content CollectionTMの最新の分析は、光触媒に関する革新的な研究が拡大していることを証明しています。Sスキーム構成や助触媒の使用といった技術が向上するにつれ、STH効率の飛躍的な進歩と、本技術の商業化の可能性も高まっていくでしょう。
継続的な実験と材料科学の進歩により、世界は大規模な水素生産という約束を実現し、脱炭素社会を現実のものにできるはずです。
