全球首次！日本開發出吸收太陽可見光分解水的氮化鉭光觸媒

日本國立研究開發法人新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）和人工光合成化學工藝技術研究組合（ARPChem）與東京大學和信州大學合作，全球首次成功開發了吸收可見光分解水的單晶氮化鉭（Ta3N5）微粒光觸媒。經確認，可以在可見光的 400nm～600nm 波長範圍內分解水（圖1）。600nm 附近是太陽光強度最高的波長範圍，因此有望實現能源的有效利用。另外，此次開發的光觸媒與以往研究的方法相比，能在1/10以下的短時間內製造，有望實現低成本工藝。

圖1：單晶氮化鉭（Ta3N5）微粒光觸媒（電子顯微鏡照片）

2000年前後科學家就已經發現，氮化鉭具備能吸收 400nm～600nm 波長範圍的可見光，將水分解成氫和氧的能帶結構。但利用以往的合成方法，需要在氨氣流中長時間加熱作為原料的氧化物，因此很難合成優質的氮化物微粒，一直未能實現採用氮化鉭光觸媒的水分解。

太陽光的強度峰值主要位於可見光區域（400nm～800nm，圖2），因此光觸媒如果能吸收這個波長範圍的光分解水，就可以有效利用太陽能。但以往的光觸媒，吸收波長大多僅限於紫外光區域（～400nm），要想利用可見光至紅外光區域的光，需要解決的課題之一就是擴大光觸媒的吸收波長。

圖2：太陽光的波長和光譜強度

研發小組研究了不同於現有氮化物合成方法的原料甄選和合成條件。通過在原來1/10以下的短時間內使複合氧化物（鉭酸鉀，KTaO3）微粒氮化，在複合氧化物微粒上直接形成了單晶氮化鉭微粒，並使其吸附了促進氫生成反應的助觸媒（圖3）。由此，可以提高氮化物微粒的品質，將光激發電子和空穴有效用於水分解反應，最終促成了此次的氮化物微粒光觸媒的開發（圖4）。

圖3：單晶氮化物微粒的合成

圖4：利用單晶氮化物微粒光觸媒在模擬太陽光下進行水分解反應

將此次開發的光觸媒分散到水中，能吸收 400nm~600nm 波長範圍的可見光和模擬太陽光來分解水。另外，如果將其固定到基板上，還能嵌入光觸媒板反應器中使用。

此次的研究成果於2018年9月3日發布在英國科學雜誌《自然-催化》的在線速報版上。

文 JST客觀日本編輯部

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