ナノ結晶を敷き詰めた光半導体電極で還元反応を駆動 ― 人工光合成などに使う電極材料を環境負荷の小さい方法で製造―

2026-06-29 東北大学

東北大学、北海道大学らの共同研究グループは、人工光合成や水素製造に利用される光カソードを、環境負荷を抑えて製造できる新手法を開発した。研究では、超臨界水熱合成により粒径10~20nmの高結晶性酸化ニッケル(NiO)ナノ結晶を合成し、平板スタンプで押し広げる「プッシュコート法」により、膜厚100~500nmの均一な薄膜形成に成功した。この薄膜は還元反応を担うp型半導体光カソードとして機能し、膜厚に応じて光電流応答を規則的に制御できることを確認した。従来のラングミュア・シェーファー法と比べて表面の凹凸が小さく、330nm紫外光照射下では約3倍高い光電流変換効率を示した。また、有機溶媒やナノ結晶の使用量を削減できるため、材料ロスや環境負荷の低減にも寄与する。今回の成果は、水素製造や二酸化炭素還元など人工光合成技術の高性能化と、大面積・低環境負荷な半導体電極製造技術の実現に向けた重要な材料設計指針となることが期待される。

ナノ結晶を敷き詰めた光半導体電極で還元反応を駆動 ― 人工光合成などに使う電極材料を環境負荷の小さい方法で製造―
図1. 超臨界水熱合成した酸化ニッケルナノ結晶を用いた半導体光カソード膜の作製。

<関連情報>

超臨界水熱合成法で調製したナノ結晶からなる光電気化学的に均質な酸化ニッケル光カソード Photoelectrochemically homogeneous nickel oxide photocathode composed of nanocrystals prepared by supercritical hydrothermal synthesis

Tomoya Oshikiri, Tomoki Kawase, Kaori Sato, Hazuki Ito, Takaaki Tomai, Keisuke Nakamura, Xu Shi, Yasutaka Matsuo, Hiromasa Niinomi and Masaru Nakagawa
Nanoscale Advances  Published:8th June 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/D6NA00165C

Abstract

This study presents a novel approach for fabricating photoelectrochemically homogeneous photocathodes composed of nickel oxide nanocrystals (NiO NCs) using supercritical hydrothermal synthesis and push-coating (PC) methods. NiO NCs were synthesized in supercritical water using oleic acid (OA) as a surface modifier. The NiO NCs exhibited high crystallinity, small particle size, and narrow size distribution. Compared with the Langmuir–Schaefer method, the PC method provided NiO-NC films with relatively low roughness and high photoelectrochemical performance. In the PC method, NiO-NC films with thicknesses of ∼100–500 nm were obtained by varying the NiO-NC and OA concentrations in the dispersions. The NiO-NC films can be regarded as photoelectrochemically homogeneous photocathodes, as their impedances are proportional to their thicknesses. This homogeneity, in turn, increases the design freedom of NiO photocathodes. In addition, atomic layer deposition allowed the filling of interparticle voids with NiO, improving the hole migration capability of the NiO-NC films. These findings demonstrate the potential of combining supercritical synthesis and PC methods as a green and economically advantageous process for the high-throughput manufacturing of NiO photocathodes, minimizing material loss and limiting the use of hazardous solvents.

0505化学装置及び設備
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