科學研究 - 大阪大學開發出「超出常識」的光觸媒，可利用陽光、水和氧合成H2O2

日本大阪大學的研究小組開發出一種以水和氧氣（O₂）爲原料的新型光觸媒——間苯二酚-甲醛（RF）光催化樹脂，在陽光照射下顯示出非常高的過氧化氫（H₂O₂）合成活性。

H₂O₂可作爲漂白劑和消毒劑使用，是一種重要的化學物質，此外還可作爲氧化劑和還原劑使用，用作燃料電池的發電燃料，因此，近年來H₂O₂作爲貯藏和運輸再生能源的能源載體也備受關注。以前一直透過使H₂和O₂發生多級反應的能源密集型工藝合成H₂O₂。而光催化反應原理上可以利用太陽能、水和氧氣（O₂）製造H₂O₂（H₂O+1/2O₂→H₂O₂），作爲節能工藝備受期待。不過，普通的光觸媒難以促進水的四電子氧化（2H₂O→O₂＋4H⁺＋4e^-）和O₂的選擇性雙電子還原（O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂），需要開發新型光觸媒。

研究小組着眼於可作爲塗料和粘合劑使用的通用的合成大分子——間苯二酚-甲醛（RF）樹脂。RF樹脂本來是絕緣體，因此之前一直未想過將其作爲半導體光觸媒的候選物質。此次研究小組自主開發了利用高溫水熱法合成RF樹脂的方法，並首次發現利用這種方法調變的RF樹脂粉末可以作爲半導體光觸媒使用。透過這種「脫離常識」的發現合成的RF光催化樹脂（圖1）在迄今爲止報告的所有使用粉末光觸媒的太陽能轉換反應中，能以最高的效率合成H₂O₂。

圖1：RF光催化樹脂的（a）基本骨架結構及（b）積層結構概略

新開發的光催化樹脂爲1μｍ左右的球狀顆粒，比較容易處理，因此有望透過不同的加工方法應用於多種用途。另外，透過應用此次的光觸媒設計，還有望製造出活性更高的H₂O₂合成觸媒。

相關研究成果已於2019年7月1日在英國科學雜誌《自然-材料》（Nature Materials）的網路版公開。

研究小組此前一直着眼於有機半導體開發光觸媒。RF樹脂是間苯二酚與甲醛縮聚而成的通用的合成大分子，被廣泛用作塗料、粘合劑和鑄模。此次，研究小組透過用溫度比普通合成溫度（～100℃）更高（＞200℃）的水熱法合成這種樹脂，開發出了RF光催化樹脂。新開發的觸媒可吸收波長爲600nm以上的長波光（圖2），太陽能轉化效率達到0.5％以上，能以遠遠高於普通植物的天然光合作用（～0.1％）的高效率合成H₂O₂（圖3）。在使用光觸媒的太陽能轉換方面，雖然從很早以前就開始研究水解制氫（H₂O→H₂＋1/2O₂）等，但0.5％的轉化效率在迄今爲止報告的使用粉末光觸媒的太陽能轉換反應中是最高效率。

圖2：RF光催化樹脂的吸收光譜

另外，研究小組還查明瞭RF樹脂的光催化活性透過高溫水熱合成法大幅提高的終極因數。在高溫水熱法中，間苯二酚的苯型體（電子供體）與醌體（電子接受者）連接形成供體接受者（DA）對，透過堆疊這些DA對形成了半導體能帶結構。光催化樹脂的價帶和傳導帶能階分別是適合水氧化（2H₂O→O₂＋4H⁺＋4e^-）和O₂還原（O₂＋2H⁺+2e^-→H₂O₂）的能階，而且還是有機聚合物，因此在分解生成的H₂O₂方面活性較低。研究應答，這些特點實施了非常高的H₂O₂合成活性。