全球首次!日本开发出吸收太阳可见光分解水的氮化钽光触媒

新技术 2018年09月14日
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日本国立研究开发法人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(ARPChem)与东京大学和信州大学合作,全球首次成功开发了吸收可见光分解水的单晶氮化钽(Ta3N5)微粒光触媒,经确认,可以在可见光的400nm~600nm波长范围内分解水(图1)。600nm附近是太阳光强度最高的波长范围,因此有望实现能源的有效利用。另外,此次开发的光触媒与以往研究的方法相比,能在1/10以下的短时间内制造,有望实现低成本工艺。

吸收太阳可见光分解水的氮化钽光触媒

图1:单晶氮化钽(Ta3N5)微粒光触媒(电子显微镜照片)

2000年前后科学家就已经发现,氮化钽具备能吸收400nm~600nm波长范围的可见光,将水分解成氢和氧的能带结构。但利用以往的合成方法,需要在氨气流中长时间加热作为原料的氧化物,因此很难合成优质的氮化物微粒,一直未能实现采用氮化钽光触媒的水分解。

太阳光的强度峰值主要位于可见光区域(400nm~800nm,图2),因此光触媒如果能吸收这个波长范围的光分解水,就可以有效利用太阳能。但以往的光触媒,吸收波长大多仅限于紫外光区域(~400nm),要想利用可见光至红外光区域的光,需要解决的课题之一就是扩大光触媒的吸收波长。

吸收太阳可见光分解水的氮化钽光触媒

图2:太阳光的波长和光谱强度

研发小组研究了不同于现有氮化物合成方法的原料甄选和合成条件。通过在原来1/10以下的短时间内使复合氧化物(钽酸钾,KTaO3)微粒氮化,在复合氧化物微粒上直接形成了单晶氮化钽微粒,并使其吸附了促进氢生成反应的助触媒(图3)。由此,可以提高氮化物微粒的品质,将光激发电子和空穴有效用于水分解反应,最终促成了此次的氮化物微粒光触媒的开发(图4)。

吸收太阳可见光分解水的氮化钽光触媒

图3:单晶氮化物微粒的合成

吸收太阳可见光分解水的氮化钽光触媒

图4:利用单晶氮化物微粒光触媒在模拟太阳光下进行水分解反应

将此次开发的光触媒分散到水中,能吸收400nm~600nm波长范围的可见光和模拟太阳光来分解水。另外,如果将其固定到基板上,还能嵌入光触媒板反应器中使用。

此次的研究成果于2018年9月3日发布在英国科学杂志《自然-催化》的在线速报版上。

文 客观日本编辑部

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