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

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。

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。

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）。

图3：单晶氮化物微粒的合成

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 JST客观日本编辑部