大阪大學太陽能化學研究中心的白石康浩副教授和平井隆之教授等人組成的研究團隊，開發出了可在陽光的照射下，利用磷酸（H3PO4）和無金屬粉末觸媒，透過H2O2水溶液（雙氧水）生成H2的光催化技術。
H2O2是作爲漂白劑和消毒劑使用的重要化學物質，此外還可以用作燃料電池的發電燃料，因此近年來作爲貯藏和運輸再生能源的能源載體受到關注。以前，H2O2一直利用能源密集型方法（使H2和O2發生多級反應）合成。但最近還開發出了利用太陽能，透過水和氧氣（O2）合成H2O2（H2O+1/2O2→H2O2）的高度節能式光觸媒型的H2O2製造法，這種合成方法使得把H2O2作爲能源載體成爲可能。
要想將H2O2作爲能源載體，必須能將其用作氫載體。也就是說，如（圖1）所示，需要有透過H2O2現場生成H2的反應技術（H2O2→H2+O2, ΔG○=+131kJ mol-1，公式1）。不過，H2O2的還原（H2O2+H++e-→H2O+●OH，H2O2+2H++2e-→H2O，公式4）會優先進行H+的還原。而且，光觸媒採用金屬和金屬氧化物半導體時，H2O2會在表面分解（H2O2→H2O+1/2O2, ΔG○=-117kJ mol-1，公式5）。因此，此前一直沒有透過H2O2水溶液生成H2的案例。
圖1：利用此次的光催化技術透過H2O2生成H2的機制
磷酸透過與H2O2的氫鍵使H2O2變穩定，抑制激發電子引起的還原。
研究團隊發現，將H3PO4和無金屬粉末觸媒加入H2O2水溶液中並照射太陽光（可見光），可以生成H2（圖2）。由於觸媒無金屬，H2O2不會分解（公式5），而且H2O2和H3PO4還會透過氫鍵形成穩定的錯合物（圖1右），能抑制H2O2還原（公式4），並促進H+還原（公式3）。H3PO4長期以來一直被作爲穩定劑添加到市售的H2O2水溶液中。因此，有望利用此次的技術實施新的能源循環，即貯藏和運輸含H3PO4的H2O2水溶液，利用廉價的無金屬光觸媒現場製造H2。
圖2：僞陽光照射（λ>420nm）的照射時間與H2生成量和H2選擇率的關係
H2隨着光照射持續生成，H2選擇率也基本保持恆定。
透過添加H3PO4和無金屬光觸媒，可以實施此前一直被認爲不可能實施的反應，這一點應該大大提高了將H2O2作爲氫能源載體利用的可能性。另外，無金屬光觸媒近年來備受關注，逐漸合成了很多材料。因此，利用此次的技術有望實施活性更高的H2製造流程。
論文資訊
題目：Photocatalytic hydrogen peroxide splitting on metal-free powders assisted by phosphoric acid as a stabilizer
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-020-17216-2
文：JST客觀日本編輯部
