研发出能量转换效率达7%的光催化剂

新技术 2017年05月17日

由神户大学分子成像科学研究中心的立川贵士副教授等人与大阪大学产业科学研究所的真嶋哲朗教授等人组成的研究团队,日前研发出一种新的光催化剂,能够满足人们对急剧增加的氢产量的期待。

氢是最有希望取代石油、天然气的下一代能源,但其并不是如同化石燃料那样直接从地下挖掘出的能源。目前,利用太阳能使水分解制备出作为能量源的氢这种方法让人充满希望。其关键在于,高效利用太阳能来促进制备氢的化学反应的催化剂。产学官目前正在推进制备高性能光催化剂的研究开发。

立川副教授等人研发出的光催化剂所采用的材料是,已经在部分用途上实现了实际应用的氧化钛。其特征是被称为“介晶质(mesocrystal)”的超级结晶构造体,纳米颗粒呈规则、正确的三维排列。当照射到光时,光催化剂在其表面产生电子及电子流失之后形成的孔即“空穴”,电子还原水中的氢离子,从而制备出氢。但是,电子和空穴会立刻再次结合之后而消失,这也成为到目前为止氢制造效率得不到提高的一个很重要的原因。

立川贵士副教授等人研发出“介晶质化技术”,能够三维控制颗粒排列,在空间上将电子和空穴拆开,利用氧化钛的介晶质合成出结晶构造不同的钛酸锶的介晶质。他确认到,在水中对附着有铑-铬复合氧化物的钛酸锶的介晶质照射紫外线,会发生制备氢的反应,光能转换效率约为7%。其中,该铑-铬复合氧化物即为能够提高催化剂效率的助催化剂。然而,利用钛酸锶的单纯的纳米颗粒进行相同的实验,光能转换效率仅不到1%。这就证明,介晶质化对提高效率大有裨益。

钛酸锶的介晶质透射式电子式显微镜图像钛酸锶的介晶质透射式电子式显微镜图像。表面的纳米结晶成长到数百个纳米。从有限视场的电子衍射图像(右边)可知,纳米结晶的排列与尺寸或位置无关,朝向相同。(立川贵士副教授提供)

新能源・产业技术综合开发机构(NEDO)和人工光合成化学工艺技术研究组合(由日本国内主要的六家化学企业及一个团体组成,以下简称为“组合”)也正在推进利用太阳能和水来制备氢的研究开发。该组合提出的目标是,到2021年度,使光催化剂的能量转换效率达到10%。

能源转换效率难以提高的原因之一就在于,无法利用太阳能之中除了紫外线以外的其它波段范围。NEDO和上述组合到目前为止所发表的内容也表明,转换效率的水平还停留在“太阳能转换效率为2%,达到了世界最高水平(2015年3月31日)”或“研发出实现人工光合成的混合粉末式光催化剂片材,太阳能转换效率达到了1.1%(2016年3月10日)”这样的水平。

立川副教授以这一次的成果为基础说到,“(我们的)目标是,通过将介晶质应用到即便是可见光也能产生效果的光催化剂,进一步提高太阳能转换效率。”

立川贵士 神户大学副教授立川贵士 神户大学副教授(来源于科学技术振兴机构战略创造研究推进事业个人型研究(先驱)网站)

该成果基于科学技术振兴机构(JST)战略创造研究推进事业个人型研究(先驱)・研究领域:“超空间控制和革新功能开创”(研究总结:早稻田大学理工学术院黑田一幸教授)之中的由立川副教授负责的研究课题“基于纳米颗粒高次空间控制的高效光能转换系统的创制”。

文/客观日本编辑部


相关链接(日语)
神户大学・大阪大学・JST共同举办的新闻发布会“成功开发出氢产量增加10倍的光催化剂——利用太阳能制造氢的实现迈出全新的一步”
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20170410/index.html
http://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/news/2017_04_10_01.html

JST的战略创造研究推进事业个人型研究(先驱)・研究领域:“超空间控制和革新功能开创”
http://www.jst.go.jp/kisoken/presto/research_area/ongoing/1112062.html

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http://www.keguanjp.com/kgjp_keji/kgjp_kj_newtech/pt20170511110913.html

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