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太陽エネルギーの効率的利用で脱炭素社会の実現に貢献

• 励起波長2,200 nmで世界最高の量子収率（AQY）を持つAu@Cu7S4新型光触媒を開発。
• Au@Cu7S4ヨーク-シェルナノ構造により、可視光および近赤外光励起の両方で長寿命の電荷分離状態を維持可能。
• 太陽エネルギーの効率的利用を可能にする技術として、脱炭素社会の実現に貢献。

東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所のTso-Fu Mark Chang（チャン・ツォーフー・マーク）准教授と陳君怡特任講師、そして台湾国立陽明交通大学工学院材料系の徐雍鎣教授（兼 東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所 特任教授）を中心とする国際連携の研究チームは、Au@Cu7S4ヨーク-シェルナノ構造を持つ二重プラズモニック光触媒を新たに開発し、可視光および近赤外線照射下で顕著な水素生産を達成した。

半導体光触媒を用いたソーラー水素生産は持続可能なエネルギー開発の中核的コンセプトとして注目されている。なかでも太陽光のエネルギー分布の50％超を占める近赤外線は未利用のエネルギー源として重要であり、近赤外光照射に反応できる光触媒の開発が求められてきた。

本研究で開発したAu@Cu7S4は可視光および近赤外線励起下で長寿命の電荷分離状態を維持した。さらにヨーク-シェルナノ構造の利点を生かし、Au@Cu7S4は励起波長500 nmで9.4％、2,200 nmで7.3％という記録的な量子収率（AQY）を達成し、共触媒を必要としない水素生産において優れた性能を発揮した。

今回の研究成果では、自己ドープされた非化学量論半導体ナノクリスタルの局所表面プラズモン共鳴（LSPR）特性を利用して、広範なスペクトル駆動可能な光触媒反応の実現可能性が示された。この可視光および近赤外線応答型の持続可能Au@Cu7S4光触媒システムの開発により、太陽エネルギーのより効率的な活用や、水素などの再生可能なエネルギー源の生成が期待される。これにより、持続可能なエネルギーの生産が促進され、環境への負荷が軽減される可能性がある。また、この研究は光触媒応用の新たな可能性を示唆し、将来的にはさらなるエネルギー革命や環境保護にも貢献できる。

本研究成果は、1月9日付の「Nature Communications」に掲載された。

Au@Cu7S4ヨーク-シェルナノ構造の特徴。（a）1-Au@Cu7S4、（b）3-Au@Cu7S4、（c）5-Au@Cu7S4、（d）純粋なCu7S4、（e）純粋なAu、（f）Au+Cu7S4のTEM画像。（g）5-Au@Cu7S4のHRTEM画像。（h）TEM画像と対応する（i）SAEDパターン。（j）TEM-EDSマッピングプロファイル。

問合せ先

Tso-Fu Mark Chang（先端材料研究コア・准教授）
http://www.ames.pi.titech.ac.jp/