新エネルギー獲得へのアプローチ

植物の利用：機能の抽出、バイオマス

半導体光触媒： ホンダーフジシマ効果

金属錯体による人工光合成

太陽電池：Si, 化合物半導体、 色素増感、有機薄膜 など

人工光合成：燃料生成

電力生成

半導体光触媒： ホンダーフジシマ効果

新エネルギー獲得へのアプローチ

植物の利用：機能の抽出、バイオマス

半導体光触媒： ホンダーフジシマ効果

金属錯体による人工光合成

太陽電池：Si, 化合物半導体、 色素増感、有機薄膜 など

人工光合成：燃料生成

電力生成

半導体光触媒： ホンダーフジシマ効果

人工光合成へのアプローチと 解決すべき課題 b)光合成を真似て超えるアプローチ(２)

工業化学雑誌, 72, 108(1969).

Bull. Chem. Soc. Jpn., 44, 1148(1971).

Nature, 238, 37(1972).

ホンダー フジシマ効果

世界を 主導する日本（４）

紫外光

1/2O2

H2O h+

e- e-

価電子帯

伝導帯

H2

2H+

e- 課題： 可視光、赤外光を如何にして有効に利用できるか？

堂免、前田 工藤 阿部、佐山 等 可視光による水の光分解

三澤：赤外光

世界を 主導する 日本（５）

300 400 500 600 700 800

Wave Length (nm)

いくつかの（オキシ）ナイトライド材料のUV-visスペクトル

GaN:ZnO

Ta3N5

LaTiO2N

BaTaO2N

Wavelength/nm

Chemical System Engineering The University of Tokyo 堂免研究室（東大）

太陽光の放射 スペクトル

0 5 10 15 20 25 30 350

0.5

1.0

1.5

2.0

Amou

nt o

f evo

lved

gas

es /

mm

ol

Reaction time / h

Evac. ▼

H2

O2

N2

Magnetic stirrer

Water cooling

450 W high pressure Hg lamp

NaNO2 aq.

Catalyst: 0.3 g Cocat.: Rh 1 wt%, Cr 1.5 wt% Reactant soln.: 370 mL (pH 4.5) Inner irradiation type cell with a 2 M NaNO2 aq. filter 450 W Hg lamp

λ > 400 nm

Rh-Cr oxide/GaN:ZnOを用いた水の可視光分解

Chemical System Engineering The University of Tokyo

量子収率 = ~ 5.2 % ( at 410 nm)

粉末光触媒を用いた可視光照射下での水の完全分解反応 （東京理科大学 工藤研究室）

光源：300W Xeランプ+カットオフフィルター

減圧下

可視光線 (λ>420nm)

水素生成光触媒 （Ru/SrTiO3:Rh）

酸素生成光触媒 （BiVO4）

O2

H2O

Fe2+

Fe3+

可視光

BiVO4

e-

h+

Ru助触媒

e-

SrTiO3:Rh

可視光

Fe3+/Fe2+

Co錯体

h+

H2

H+

塩化鉄水溶液に水素生成光触媒

粉末と酸素生成光触媒粉末を入れ

て，可視光を照射すると，水が分解

して水素と酸素の泡が発生する。

電子供与体

（酸化末端）

H2O

電子受容体

（還元末端）

CO2

電子受容体 増感剤 I 増感剤 II

光照射 I 光照射 II

水電子源 二酸化炭素の還元

電子 電子 電子 電子

次世代のエネルギー資源として、化石資源が尽きる恐れが具体化すると予想される数１０年 後に備えて、太陽光エネルギーを直接電力に変える太陽光発電と太陽光エネルギーを用いて ＣＯ２と水を原料とし水素の生成やＣＯ２の化学固定など化学エルギーに変換する人工光合成 ・有用物質の生産が期待されている。

人工光合成

0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10 12

Amounts of pro

µmol

Ti / h

H2

O2

CO e-/h+=1.0

200

150

100

50

0

Am

ounts

of

pro

ducts

/ µ

mol

水+二酸化炭素→合成ガス→有機化合物

Ag(2wt%) /BaLa4Ti4O15光触媒を用いたCO2還元反応 （東京理科大学 工藤研究室）

水を還元剤としたCO2の 固定化反応に成功

水 + 光触媒粉末 + 光（ここでは紫外線）のみ

Kosuke Iizuka, Tomoaki Wato, Yugo Miseki, Kenji Saito, and Akihiko Kudo J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (51), 20863–20868

世界を 主導する 日本（６）

人工光合成系の実現 （太陽光、二段階励起でのH2O酸化とCO2還元の共役）

太陽光変換効率：0.03～0.04%

CO2 + H2O HCOOH + 1/2O2 Two photocatalysts

with no electrical bias

under Simulated Sun-light

S. Sato and T. Arai et al. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15240.

[MCp]

CO2 reductionh+

e-

e-

InP/[MCp]

CO2

HCOO-

1.35 eV

+0.2V

Pote

ntia

l (V

vsN

HE)

-1.15V

3.2 eV

e-

h+

O2

H2OWater oxidation

e-

TiO2

-0.2V

+3V

[MCp]

CO2 reductionh+

e-

e-

InP/[MCp]

CO2

HCOO-

1.35 eV

+0.2V

Pote

ntia

l (V

vsN

HE)

-1.15V

3.2 eV

e-

h+

O2

H2OWater oxidation

e-

TiO2

-0.2V

+3V

3.2 eV

e-

h+

O2

H2OWater oxidation

e-

TiO2

-0.2V

+3V

Shunsuke Sato, Takeo Arai, Takeshi Morikawa, Keiko Uemura, Tomiko M. Suzuki, Hiromitsu Tanaka, and Tsutomu Kajino , J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 15240–15243.

豊田中研

世界を 主導する 日本（７）

太陽エネルギーを将来の主要な 一次エネルギー源と考えるならば・・・

・超大面積に展開可能な技術

例えば2050年に人類の消費エネルギーの 1/3を太陽エネルギーで賄うとした場合、

・輸送・貯蔵可能なエネルギー形態 水素・メタノール・炭化水素・アンモニア等 の化学物質

１つの水素製造プラントをη=10%, 5 km x 5 km = 25 km2のスケールと想定すると

約１０,００0個つくる必要がある。

水素

堂免（東大工）

水素＋化学エネルギー製造プラント予想図（25km2)

アンモニア 100万トン/年 または メタノール 50万トン/年

1日7.6時間AM1.5G標準太陽光照射

太陽エネルギー 27 TJ/km2 day

ソーラー水素プラント

エネルギー変換効率10%

25 km2 (5 km x 5 km)

水 5100トン/日

水素 570トン/日

酸素

合成プラント

反応ガス

空気 またはCO2

堂免（東大工）

Chemical System Engineering The University of Tokyo

▪ 太陽光発電(PV) + 電気分解 ▪ 光電気化学電池

H2 + 1 ― 2

O2 ∆G0 = 238 kJmol-1 H2O hν

▪ 人工光合成； 光触媒 無機固体材料（半導体）

金属錯体

有機分子・高分子材料

生体分子（酵素）

▪ 太陽熱発電（CSP） + 電気分解

太陽エネルギーを用いる水分解法

▪ 太陽熱化学分解

重要な視点（１）

まだ決め打ちはできない！

重要な視点（２） Solar Fuel

水素、ＣＯ、蟻酸（ＨＣＯＯＨ） （２電子還元生成物） ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ） （４電子還元生成） メタノール（ＣＨ３ＯＨ） （６電子還元生成物） メタン（ＣＨ４） （８電子還元生成物） Ｃ２化合物～Ｃｎ化合物

生成物として何を目指すか？

大気環境科学によるアセスメントの視点

14

企業戦略の視点

パイ（市場）は巨大！

課題の共有が可能

完成技術から将来技術へ

連携が必要不可欠

政策誘導

重要な視点（３）

15

基礎科学 発見１ 発見２・・・・ 発見ｎ 目的基礎研究 発見１ 発見２・・・ 発見ｎ 展開研究 事例１ 事例２・・・・ 事例ｎ

社会による選択

インフラ整備の開始

2020

技術展開 事例１ 事例２・・・事例ｎ 2030 2040

議論と選択の土俵

人工光合成を基盤とするエネルギーシステム

重要な視点（５） フォーラムへの期待：スタンス

連携

しのぎを削る のではなく

切磋琢磨 による連携 将来のイメージを社会に提案

バトンリレー：人材育成

高い志による登頂

実用化のオアシス

技術課題

経済性

事業主体

世界の潮流

国の政策

社会の理解

社会の選択

その他

死の砂漠

PRESTO Project on Artificial Photo-synthesis (2009-2017) JST

Preliminary Research on Embryonic Science and Technology Sakigake (Japanese)

人工光合成フォーラム リーディングサイエンティスト

若手研究者 科学技術政策決定者

企業 市民

死の谷

石油エネルギー 太陽光エネルギー

人工光合成：新エネルギー

人類の夢

必ず実現しなければならない

課題

Thanks to Klaus Lips, Prof. Thomas Moore

The translation of the German phrase on the Cartoon is: "this is how we live, this is how we live, forever..." 地球をどうしますか？