全太陽エネルギーのおよそ半分を占める赤外域の太陽光の有効利用の実現は、現代社会に眠る新たな未開発エネルギー資源の発見に相当します。また、現行の太陽光利用研究は可視光を対象としているため、自然のエネルギー生産システムである光合成と競合してしまいますが、赤外光は自然と競合しないため、真に自然と共存したエネルギー変換を実現することができます。局在表面プラズモン共鳴（LSPR:Localized Surface Plasmon Resonance）を利用した光電変換は、LSPRが可視から赤外まで幅広い領域に強い吸収を示すことから赤外光のエネルギー変換のためのキーテクノロジーとして期待されています。LSPR材料と半導体の接合した界面に光を照射した際に観測されるプラズモン誘起電荷移動という現象を利用することで、LSPR材料を用いた赤外光―エネルギー変換を実現することができます。
　今回、本研究グループでは、赤外域にLSPRを示すCu₇S₄（硫化銅）ナノ粒子と硫化カドミウムナノ粒子を連結させたヘテロ構造ナノ粒子を合成し、その水素生成光触媒活性を評価しました。この結果、白金を担持した硫化銅/硫化カドミウムヘテロ構造ナノ粒子が、波長1100ナノメートル（nm：ナノは10億分の1）での外部量子収率3.8％という世界最高の効率で赤外光から水素を生成できる光触媒であることを発見しました（図参照）。また、この赤外応答光触媒を利用することで、地表に到達する太陽光の最大波長である2500ナノメートルの光を用いて水素を生成することにも成功しました。この事実は、新たに開発された赤外応答光触媒が、赤外域の太陽光のほぼすべてを高い効率でエネルギーに変換できることを示しています。従来のプラズモン誘起電荷分離は、電荷分離によって生じた正孔（ホール）と電子の再結合による損失が大きな問題でしたが、新たに開発した光触媒は、273マイクロ秒という電荷分離寿命を示しました。これは、一般的なプラズモン誘起電荷分離の電荷分離寿命よりもはるかに長い寿命であり、長寿命の電荷分離が優れた触媒活性の原因であることが示されました。今回開発された技術は、赤外光から高効率で水素を発生することのできる光触媒として、革新的な光―エネルギー変換材料への応用が期待されます。

 

図：本研究で合成した硫化銅/硫化カドミウムヘテロ構造ナノ粒子のイメージ図と赤外応答光触媒活性

 

　地表に到達する太陽光の46％は赤外光であり、赤外光は未開発のエネルギー資源として大きな可能性が秘められています。エネルギーの低い赤外光を新規エネルギー源として活用するには、可視光とは異なる方法論が必要であるため、現在までほとんど研究が進んでいませんでした。本研究は、今まで有効な方法のなかった赤外線のエネルギー変換におけるブレイクスルーとなると考えられます。また、赤外線の、地球上の生命が未利用である特徴を利用した自然や人工光合成などの人工の太陽光エネルギー利用と太陽を奪い合わないエネルギー生産プロセスの実現は社会、産業、環境に大きなインパクトを与えるイノベーションを創出することが期待されます。

 

　赤外光の高効率エネルギー変換という理想を掲げて研究をスタートした時は、なかなか活性が出ず、何度も悔しい思いをしました。最終的には、担当学生の頑張りと共同研究者の先生方の協力のおかげで、現行のチャンピオンデータを大きく上回る素晴らしい光触媒を開発することができました。不可能を可能にする光反応機構の解明は、学際的な共同研究による多角的なアプローチの貢献が非常に大きく、共同研究者の方々に深く感謝いたします。

 

　全太陽エネルギーのおよそ半分を占める赤外域の太陽光の有効利用法の開発は、光合成や太陽発電などに匹敵する新たなエネルギー資源の開発に相当すると期待されます。また、赤外光のエネルギー変換は自然と競合しないため、真に自然と共存したエネルギー変換を実現できます。生命活動に干渉しないエネルギーである赤外光の利用は、これまでに提唱されていない概念であり、学術的・経済的・社会的に新たな価値を創出することが期待されます。