太陽光発電の課題はコスト面、人工光合成の課題は効率面

　太陽光発電で課題となっているコスト面において、人工光合成は可能性を秘めています。

　太陽電池では、太陽の光が当たるとマイナスとプラスの電気が発生し、それぞれ違う電極へと別れます。つまり太陽エネルギーを電気エネルギーへと変換するわけですが、貯めておくには大型バッテリーなどの蓄電設備が必要ですし、自然放電も起こります。また、電力よりも貯蔵がしやすい水素エネルギーにするにも、一度、電気エネルギーに変えてから、そのエネルギーで水を電気分解する2段階の変換が必要となります。

　それに対し人工光合成は、太陽エネルギーをそのまま水素に変換できます。ステップが多いと、どうしてもシステムが煩雑になったり、経済性に課題が出てきたりしますので、簡略化できるというのは大きな利点です。

　一方、人工光合成の課題は、光触媒がどれだけ機能してくれるかという効率の部分です。

　光触媒は大きく分けて2種類あります。一つは元素が集まってつくられる分子状のもの。光を吸って反応を起こす色素などがそうです。もう一つは、より多くの原子が集まり固体として認識できる化合物。先述のTiO2などがそうで、身の回りのものでいうと、白さを出すため歯磨き粉やガムなどに含まれている微粒子がそれにあたります。

　光触媒として働く化合物でも、光が当たるとマイナスとプラスの電気が発生し、反応物に電子を与える還元反応と、反応物から電子を引き抜く酸化反応を起こします。しかし微粒子という極小の領域で相反する反応が起きる場合、そのまま分かれず元に戻ったほうが実は楽。つまりマイナスとプラスの電気を発生させても、なかなか光触媒の外に出てくれず、再びくっついてしまうことが多いのです。

　そんな問題を打破すべく、私たちの研究室では、新しい光触媒材料の開発および光触媒の高効率化をめざして研究を進めています。

　光触媒の効率を上げるための指針は2点あります。1点目は、太陽光に含まれるさまざまな波長の光を幅広く吸収すること。2点目は、吸収した太陽エネルギーをできるだけ無駄なく化学反応に利用することです。

　光は波長が長くなればなるほどエネルギーが弱くなります。たとえば波長の短い紫外光はエネルギーが強いので 少しぐらいロスをしても化学反応が進むのですが、可視光、さらに赤外光と、エネルギーが弱くなればなるほど、少しのロスで進まなくなってしまいます。

　光触媒が吸収できる波長は材料に依存するため、新しい素材を見つけるか、化合物をうまくつくるかにかかっています。近赤外光でもロスなくエネルギーを活用できるようになれば、人工光合成を起こせますが、現実的にはなかなか難しい。現状、紫外光と可視光を極力、高効率で活用するのが私たちの目標です。