大面積化・低コスト化を実現する光触媒パネル反応器を開発

新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は、人工光合成化学プロセス技術研究組合(ARPChem)、東京大学、TOTO、三菱ケミカルとともに、人工光合成システムの社会実装に向けて大面積化・低コスト化を実現する光触媒パネル反応器を開発したことを発表した。

この研究成果は1月17日、米国科学誌「Joule」のオンライン速報版で公開された。

人工光合成プロジェクトの概要(出所:NEDOニュースリリース)

現在、水分解の方式として、粉末の光触媒を懸濁させた水溶液を用いる方式や、粉末の光触媒を固定した光触媒シートあるいは光半導体デバイスを用いた方式などが実験室レベルで検討されている。その際の水分解の反応器としては、光触媒シートを十分な水に浸漬した小型のフラスコ型反応器を用いて水を撹拌するものや、太陽電池による電圧で水分解をアシストし、さらにポンプ等で溶液を強制的に対流させたりするものが検討されている。

反応器を実用化に向けてそのまま大面積化する場合、大容量の水を保持可能で十分な強度を有する反応器の設計が必要となり、ガラスや高強度な機能性樹脂などが不可欠となる。しかし、これらの材料を用いて大面積のものを安価に設計することは困難で、大面積化を妨げる要因のひとつとなっているため、水分解の光触媒パネル反応器の設計を見直す必要がある。

このたび開発された光触媒パネル反応器は、基板上に光触媒を塗布し形成したシートを用いて、わずか1mmの水深でも、実用化する上で十分な速さで水を分解して水素と酸素を放出できる。これにより、既存の反応器より反応器内の水の量を大幅に低減でき、軽量で安価な材料で製造可能な構造なため、大面積化が実現できる可能性がある。さらに、1m²サイズの大型の光触媒パネル反応器を試作し、自然太陽光照射下における実験でも水を水素と酸素に分解できる。

小型光触媒パネル反応器 86mm×106mm(出所:NEDOニュースリリース)

今回の成果は、光触媒を用いた人工光合成システムを社会実装する上で重要な大面積化・低コスト化を実現する光触媒パネル反応器の設計に関する新たな基本原理を示した画期的な成果と言える。今後、2021年度末の目標である太陽エネルギー変換効率10％の達成を目指すとともに、実用化の鍵となる技術として、さらなる光触媒パネルの大面積化の開発やガス分離技術との一体化手法の開発を進めていくとしている。