北海道大学 研究シーズ集

Nanotechnology / Materials

局在プラズモンを用いた人工光合成システム

光ナノアンテナを用いた可視・近赤外光による水からの
水素・アンモニアの光合成システム

高効率な人工光合成を実現するために、金属ナノ構造による光ナノアンテナを用いて可視〜近赤外に至る幅広い波長の太陽光エネルギー変換を可能にし、水の光分解に基づく水素発生、さらに最近エネルギーキャリアとして注目されるアンモニアの光合成に成功した。

研究の内容

高効率な人工光合成を実現するためには、従来の人工光合成では未利用の可視〜近赤外波長域の太陽光エネルギーを活用し、化学物質に変換するシステムの構築が不可避である。我々は金属ナノ構造の形状や配置を変化させることにより様々な波長の光を効果的に捕集できる光ナノアンテナの設計・作製に成功するとともに、酸化物半導体基板に光ナノアンテナを搭載し、可視〜近赤外に至る幅広い波長域の太陽光により水を光分解して水素と酸素を化学量論的に発生させることに成功した。また、同様の系を用いて空気中の窒素を光還元してアンモニアの光合成にも成功した。アンモニアは次世代のエネルギーキャリアとしても注目を浴びているが、合成には高温・高圧条件が必要であり環境に対する負荷も大きい。本系は太陽光を利用した常温・常圧のアンモニア合成法としても期待される。

  • 図は左から、光アンテナ構造の共鳴スペクトルと光電変換効率のアクションスペクトル、光アンテナ構造を用いて光を水分解する人工光合成システム、および水素・酸素発生量の光照射時間依存性

社会実装への可能性

  • ・太陽電池と同様、家庭で水素やアンモニア合成を可能にするシステム。エネファームと結合させることにより、災害によってライフラインが遮断されてもエネルギーを家庭で生み出せる安全・安心なシステム。

産業界や自治体等へのアピールポイント

本人工光合成系に関しては太陽電池としての応用も期待でき、光ナノアンテナの設計により紫外光と近赤外光にのみ感度を有し、可視光は透過する透明太陽電池への展開も可能である。また、現在、微量生体物質の検出にプラズモンセンサが用いられているが、従来の光学的な検出ではなく信号を電気的に取り出せるプラズモンセンサへの展開も可能である

本研究に関連する知的財産

特許第6230039号 「水素発生装置及び水素発生方法」
2018/4/3公開