人工光合成 の基本メカニズムと 最近の研究・開発動向

【人工光合成】技術：最近の研究動向は？　可能性はどこまで？
　「人工光合成系の実験方法および評価における注意点」？

講師

京都大学 大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻
　触媒機能化学分野　教授 博士（理学） 阿部 竜 先生

セミナーポイント

■本セミナーの特色は？
我々人類が「持続可能な社会」を構築するためには、再生可能エネルギーの利用が不可欠であり、無尽蔵の太陽光エネルギーを高効率に電気や燃料に変換する「太陽光エネルギー変換」における技術革新が強く望まれています。太陽エネルギーを「水素」などの「化学エネルギー」へと変換する広義の「人工光合成」研究においては、半導体光触媒を用いた水の分解や、金属錯体等による二酸化炭素の還元固定化などにおいて、近年いくつものブレークスルーがなされ、実用化への期待が高まりつつあります。さらに天然の「光合成」の研究においても、長年明らかにされていなかった、酸素生成系マンガンクラスターの精密構造が解析されるなど、画期的な研究成果が報告され、人工光合成実現の１つの大きな足がかりになると期待されています。本講座では、半導体光触媒を用いた水の分解による水素製造研究を中心に、人工光合成の基礎から、研究の歴史、最新の研究成果、そして今後の展望まで、分かり易く解説します。

■主な受講対象者
・人工光合成技術の研究・調査をしている方
・触媒関連技術従事者
・環境配慮型の研究開発に従事している方
・10年後、20年後……に実る研究テーマの探索、先行調査をしている方　など

▽過去の同講師セミナー受講者の声（アンケートより）
「人工光合成についてよく理解することができた」（太陽電池研究）
「分野外の私でも問題なく受講できた」（鉄鋼）
「人工光合成の情報収集や研究動向を知りたくて受講。満足です」（電池材料開発）
「実験方法や“ここでしか聴けない話”があって大変有益だった」（医薬品）
「研究テーマ検討のため受講。大変興味深いお話をありがとうございます」（電力研究）
「個別質問にも答えていただきありがとうございました」（電子材料の研究開発）
「専門外だが新規技術調査の一環で参加。有益でした」（電子デバイス研究開発）

セミナー内容

1．はじめに
　1-1 天然光合成と人工光合成
　　1-1-1 天然光合成の概要
　　1-1-2 人工光合成系の定義
　　1-1-3 天然光合成研究の最近の進展と人工光合成系との関わり
　1-2 人工光合成（太陽光エネルギー変換）の概要
　　1-2-1 人工光合成の原理と研究の歴史
　　1-2-2 水の光分解による水素製造
　　1-2-3 二酸化炭素の還元再資源化
　　1-2-4 新規エネルギーキャリア（過酸化水素・アンモニア等）の合成
　　1-2-5 目標となる太陽エネルギー変換効率と各系における現状

2．半導体光触媒・光電極を用いた水分解（水素製造）
　2-1 研究背景および歴史
　　2-1-1 研究の始まりと歴史
　　2-1-2 実用化への課題と解決への取り組み
　2-2 半導体光触媒を用いた水分解
　　2-2-1 半導体のバンドギャップと光の波長の関係
　　2-2-2 半導体のバンドエネルギーと化学反応の関係
　　2-2-3 なぜ可視光を用いた水分解が必須かつ困難なのか？
　2-3 植物の光合成を模倣した二段階励起型（Zスキーム型）可視光水分解
　　2-3-1 二段階励起型水分解の仕組み
　　2-3-2 ヨウ素酸・ヨウ化物イオンを用いた水分解
　　2-3-3 長波長利用のための半導体材料開発と応用
　　2-3-4 水素と酸素の分離生成
　　2-3-5 二段階励起型水分解の最新研究例（高効率光触媒パネルなど）
　2-4 バンドエンジニアリングに基づく可視光水分解の実証
　　2-4-1 可視光水分解を達成するための材料開発指針
　　2-4-2 酸窒化物系固溶体による可視光水分解
　　2-4-3 ドープ型酸化物による可視光水分解
　　2-4-4 特異なバンド構造と安定性を有する新規酸ハロゲン化物
　2-5 各種半導体光電極を用いた可視光水分解
　　2-5-1 高効率水分解のための電極構造設計指針
　　2-5-2 各種酸化物および非酸化物系半導体電極の開発

3．光触媒を用いた二酸化炭素の還元
　3-1 研究背景および歴史
　　3-1-1 研究の始まりと歴史
　　3-1-2 実用化への課題と解決への取り組み
　　3-1-3 水分解反応との共通性および相違点
　3-2 金属錯体および半導体光触媒を用いる二酸化炭素の還元
　　3-2-1 高効率・高選択的二酸化炭素還元のための金属錯体設計指針
　　3-2-2 高効率・高選択的二酸化炭素還元のための半導体設計指針
　　3-2-3 研究開発の現状と課題
　　3-2-4 金属錯体－半導体ハイブリッド系による二酸化炭素還元

4．人工光合成系の実験方法および評価における注意点
　4-1 水分解反応の実験装置および評価法
　4-2 二酸化炭素還元反応の実験装置および評価法
　4-3 反応効率の算出法と注意点

5．人工光合成研究における研究進展のまとめ・課題・今後の展望

＜質疑応答・名刺交換・個別相談＞