4月7日、中国科学院金属研究所瀋陽材料研究センターで、 科学者たちが改質二酸化チタン（TiO₂）半導体光触媒材料のサンプルを検査している。写真：新華社
1500年前、SF作家ジュール・ヴェルヌは、水が未来の究極の燃料になると予言しました。今日、科学者たちはその予言を現実のものにしようと取り組んでいます。
中国科学院金属研究所所長で研究チームリーダーの劉剛氏は、中国の科学研究グループが最近、「光触媒による水の分解による水素の生成」の分野で画期的な進歩を達成したと語った。
光触媒半導体材料である二酸化チタン（TiO₂）の「構造変更」と「元素置換」を行うことで、太陽光から直接水素ガスを生成する効率を大幅に向上させた。
関連する研究結果は4月8日にアメリカ化学会誌に掲載されました。
現在、太陽エネルギーから水素を生成する方法は主に2つあります。
一つの方法は、太陽光パネルを使って電気を生成し、水を電気分解することです。効率は高いのですが、装置は複雑で高価です。
2番目の方法は、太陽光を使った直接光分解です。二酸化チタンなどの半導体材料を使用して、太陽光の下で「水を分解」します。
Liu Gang 氏のチームは、2 番目の方法に研究の焦点を当てました。
説明によると、二酸化チタンを用いて水を分解する従来の方法には大きな障害がある。二酸化チタンに光を当てると、内部に荷電粒子（電子と正孔）が発生し、これが水を分解するための「道具」となる。しかし、これらの電子と正孔は不安定である。
劉剛氏は次のように説明した。「電子と正孔は、道に迷ったレーシングカーのようなものです。物質構造の迷路の中で、無秩序にクラッシュしていくのです。そのほとんどは、100万分の1秒以内に再結合して消滅します。さらに、高温での製造は、酸素原子が「本来の居場所」を離れることを引き起こし、酸素空孔を形成して電子を捕捉します。これらはすべて、光触媒反応の効率を低下させます。」
この問題を克服するため、研究チームは周期表においてチタンの「隣」に位置する元素であるスカンジウム（Sc）を独創的に導入し、二酸化チタンの性能向上を図りました。その結果、スカンジウムには3つの大きな利点があることが明らかになりました。
まず、Sc のイオン半径は Ti と同等であるため、構造を歪ませることなく結晶格子に埋め込むことができます。
第二に、Sc の安定した価電子状態は、酸素ギャップによって引き起こされる電荷の不均衡を中和するのに役立ちます。
第三に、Scイオンは結晶表面を再構築して特殊な表面構造を作り出し、「電子と電子正孔のための高速道路と交差点」を構築するのと同じような働きをし、電子と電子正孔がより簡単的に迷路から脱出できるようにします。
高度な調整により、研究チームは優れた性能を持つ二酸化チタンの製造に成功しました。紫外線吸収能力は30％を超え、擬似太陽光下での水素生成効率は類似の材料と比較して15倍に向上し、この材料システムにおける新記録を樹立しました。
劉剛氏は「この材料を使って1平方メートルの光触媒パネルを作れば、太陽光の下で1日あたり約10リットルの水素ガスを生成できる」と述べた。
研究者らは、二酸化チタンは産業界で広く利用されている無機材料であり、中国は世界の生産量の50%以上を占め、完全な産業チェーンを形成していると付け加えた。また、中国は希土類元素であるスカンジウムの埋蔵量も世界最大規模を誇っており、これは将来の光触媒材料の開発と応用において潜在的な産業的優位性を生み出す可能性がある。
太陽光発電による水分解の効率が継続的に向上するにつれて、この技術は工業規模の生産に応用される可能性があり、世界のエネルギー構造の変革を推進することになります。
出典: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm
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