窒化タンタルからなる赤色透明な酸素生成光電極を開発

2019-01-262021-05-14

世界トップレベルの太陽光エネルギー変換効率5.5％を達成

2019-01-25 新エネルギー・産業技術総合開発機構,人工光合成化学プロセス技術研究組合

NEDOと人工光合成化学プロセス技術研究組合（ARPChem）は、東京大学とともに、窒化タンタル（Ta3N5）光触媒を用いて、太陽光によって水を高効率に分解できる赤色透明な酸素生成光電極の開発に成功、水の分解反応による水素／酸素製造で世界トップレベルの太陽光エネルギー変換効率5.5％を達成しました。これは開発した酸素生成光電極が赤色透明であり、水分解用のタンデムセルを構成することで得られた成果です。今回開発した酸素生成光電極は、より波長の長い光を水分解に利用できる水素生成光電極との組み合せに適しています。今後、光電極のさらなる高性能化および水分解用タンデムセルの構造最適化を進め、2021年度末までに目標とする太陽光エネルギー変換効率10％の達成を目指します。

図1　開発した窒化タンタル（Ta₃N₅）光触媒からなる赤色透明な酸素生成光電極

1．概要

国立研究開発法人　新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）は、太陽光のエネルギーを利用して水から生成した水素と工場などから排出されるCO₂から、プラスチック原料などの基幹化学品（C₂～C₄オレフィン^※1）を製造するプロセスを実現するための基盤技術開発^※2に取り組んでいます。太陽光は光触媒によって、エネルギー源として有効に活用することができます。そのため、光触媒のエネルギー変換効率の向上が重要な課題になります。

今回、NEDOと人工光合成化学プロセス技術研究組合（ARPChem）^※3は、国立大学法人東京大学とともに、太陽光によって水を分解する窒化タンタル光触媒を用いて、世界トップレベルの太陽光エネルギー変換効率^※45.5％を達成しました。これは、酸素生成用光触媒の窒化タンタルからなる赤色透明な酸素生成光電極^※5を開発し、水素生成光電極と組み合わせた水分解用のタンデムセル^※6を構築することで得られた成果です。今回の成果は、エネルギー変換技術としての人工光合成の有用性を実証したものです。

なお、今回の研究成果は、2018年12月12日（水）（欧州標準時）に欧州科学誌「Angewandte Chemie International Edition」のオンライン速報版で公開されました。

（1）光触媒開発
太陽光エネルギーを利用した水分解で水素と酸素を製造する光触媒およびモジュールの開発

（2）分離膜開発
発生した水素と酸素の混合気体から水素を分離する分離膜およびモジュールの開発

（3）合成触媒開発
水から製造する水素と発電所や工場などから排出する二酸化炭素を原料としてC₂～C₄オレフィンを目的別に合成する触媒およびプロセス技術の開発

図2　人工光合成プロジェクトの概要（今回の成果は（1）光触媒開発のテーマ）

2．成果内容

酸素生成用光触媒である窒化タンタル光触媒は、400nmから600nmまでの可視光を吸収し、光触媒的に水を分解できる材料として知られています。これまでに、窒化タンタルをベースとした酸素生成用光触媒の研究開発が、国内外で精力的に進められてきました。今回、この窒化タンタルを成膜する導電性基板として、透明で低抵抗、耐熱性に優れたGaN／Al₂O₃を適用するとともに、スパッタリング^※7による成膜条件を最適化し、温和な条件での窒化により赤色透明な酸素生成光電極を開発することで、高効率に水から酸素を生成することに成功しました。この酸素生成光電極を電解液に浸して疑似太陽光^※8を照射し、外部電源から電位を印加すると光電極上で水の酸化反応が起こり、酸素が生成されます。水の酸化反応は理論的には1.23V vs. RHE^※9よりも高い電位で起こりますが、光のエネルギーを利用することで、より低い電位から水の酸化反応が起こり、酸素を生成することができます。今回開発の酸素生成光電極は、0.6V vs. RHE近辺から水の酸化反応が起こり、1.23V vs. RHEで6.3mA cm^-2の光電流を発生し、疑似太陽光の照射下における窒化タンタル光触媒の理論最大電流値の50％に迫る性能を達成しました（図3）。

図3　開発した窒化タンタル光触媒をベースとする酸素生成光電極の電流‐電位曲線

この酸素生成光電極は赤色透明という大きな特徴を持っており、600nmよりも長波長の光を背面に透過させることができます。透過吸収スペクトル測定の結果から、600nmよりも長波長側の光透過率は70％以上であることがわかりました。これにより、600nmよりも長波長側の光を水分解に利用できる水素生成光電極と組み合わせることで、2段型の水分解用タンデムセルの1段目（前面）として利用することが可能になります。

今回開発した酸素生成光電極を1段目（前面）に、CuInSe₂（1100nmまで光吸収可能）をベースとした水素生成光電極を2段目（背面）に、それぞれ配置した2段型のタンデムセルを作製し、疑似太陽光の照射下における水の全分解反応を検討しました（図4）。その結果、太陽光を用いた水の分解反応による水素／酸素製造において、照射開始15分後で5.5％の太陽光エネルギー変換効率を維持することができました（図5）。この変換効率の値は、窒化タンタル光触媒として世界トップレベルです。