いま、最優先で取り組むべき社会課題「カーボンニュートラル」。

実現の鍵として再生可能エネルギーへの期待が高まっており、

世界各国でその研究が進められています。

甲南大学では、「光触媒を使った水分解水素製造」をテーマに

この課題に取り組む研究室があります。 

数年後にはスタンダードになっているかもしれない！？

「光触媒で水素を作る」その可能性とは？未来とは？

KONAN-PLANET 記者

１．カーボンニュートラル

カーボンニュートラルとは、「社会活動全体で温室効果ガスの排出量と吸収量・除去量をプラスマイナスゼロにしていこう」という取り組みです。【私たちの行動が未来を救う！？カーボンニュートラル実現への道】でもご紹介しましたが、人が生活し、経済活動をしている限り温室効果ガスを「ゼロ」にすることは現実的に困難。そこで、排出せざるを得なかった分と同じ量を森林が吸収したり、人が除去したりすることで、「差し引きしゼロ」を目指しましょう、ということに。地球の温度上昇を1.5℃以内に抑えるためには、2050年近辺までのカーボンニュートラルが必要とされ、世界各国が目標を決めてさまざまな取り組みを行っています。

カーボンニュートラル実現のカギは、

「再生可能エネルギー」。

太陽光・風力・地熱・中小水力・バイオマスといった再生可能エネルギーは、温室効果ガスを排出せず、国内で生産できることから、資源に乏しい日本におけるエネルギー自給率を改善すると期待されています。そうしたなかで、太陽光エネルギーを利用して水素をつくる「光触媒による水分解」の研究を進めているのが、甲南大学理工学部機能分子化学科の池田 茂先生です。カーボンニュートラル実現の最先端を担う、水素と光触媒の未来について池田先生にお話を伺いました。

２．池田先生の研究内容

水素エネルギーについて

KONAN-PLANET 記者

池田先生、今日はよろしくお願いします。 先生はカーボンニュートラルについて、どのようにお考えですか。

石油などの化石燃料を使うと、どうしても温暖化ガスが排出されるので「化石燃料を使わない」というのが、カーボンニュートラルの一番大きなポイントでしょうね。一方で、カーボンニュートラルの問題が出てくる前から、水の問題、食料の問題などと同様にエネルギー問題というのは人類の大きな問題の一つでした。化石燃料は限られた資源ですので、太陽光ベースの再生可能エネルギーに置き換えていくことが大事だと考えています。

池田先生

KONAN-PLANET 記者

そういえば「太陽光発電」は世の中に広がっていますね

太陽光発電が作っているのは「電気」ですよね。私たちは化学の視点から、太陽光を使って「化学エネルギー」を作ろうとしています。平たく言えば、「石油の代わりになるような化学資源を作る」ということです。植物が太古の昔に築き上げた化石資源を使うのではなく、太陽光を使って化学エネルギーを作ろう、植物が行っている光合成を人工的にやってやろうというのが、この分野を研究している人たちの大きなテーマになっています。

池田先生

KONAN-PLANET 記者

光合成を人工的に？？？そんなことができるのですか！？

光合成というのは、水と炭酸ガス（CO2）CO₂と太陽光を使って自分が育つためのエネルギー、つまり有機化合物＝糖を作っています。水の分解反応は一見すると全然違う反応のように見えますが、光エネルギーを化学エネルギーである水素に変換する反応ですので、人工光合成型の反応の一つと言えます。また、水素とCO2を化学反応させて有機化合物にするというのは、技術的には可能ですし、水素自体も「運べる化学エネルギー」として輸送したり利用したりできます。

池田先生

KONAN-PLANET 記者

なるほど･･･それに、水素エネルギーにはクリーンなイメージしかないです。

水素は燃やしても水しか排出しないクリーンなエネルギーとされています。 では、どうやって作り出しているかというと、化石資源から作っているんですよ。

池田先生

KONAN-PLANET 記者

あ、ということは・・・・

そうなんです。大量の温室効果ガスを排出していることになります。昨今、水素自動車の開発などが話題になっていますが、現在製造されている水素は、元をたどれば化石資源。再生可能エネルギーを利用して水から製造した水素は“グリーン”ですが、製造過程でCO2を排出する化石資源由来の水素は“グレー”ですね。

池田先生

KONAN-PLANET 記者

水素を太陽光と水から作ることができれば、それはまさにカーボンニュートラル！

現在、水素は化学工業分野で多く使われていて、大量に作られているので、大量にCO2を排出しています。それを、ほんの少しでも再生可能エネルギーに置き換えたい。それを「光触媒」を使ってやろう、というのが私たちの研究の目的です。

池田先生

光触媒を使って水素をつくる

KONAN-PLANET 記者

「光触媒を使って水素を作る」とは？

水道水に太陽光を当ててもエネルギーは生まれませんよね。水と太陽光だけでは反応しないので、何かしら化学反応させるような何か（触媒）が必要です。それが、「光触媒」です。中学の理科で習った「水の電気分解」を思い出してください。水に電極を入れると、水素と酸素に分解しました。あれは、電気エネルギーを使って分解しているんです。光触媒は、電気エネルギーではなく、太陽光エネルギーを使って水を分解しようとするものです。

池田先生

KONAN-PLANET 記者

太陽光発電による電気エネルギーで水を分解してもいいのでは？

すでに、再生可能エネルギーの電力を水素に換えて貯蔵・利用するP2G（Power to Gas）という技術があり、実際にアフリカの砂漠地では太陽電池の水分解により出来た水素をパイプラインで輸送するプロジェクトが進んでいるそうです。ただ、太陽光パネルと水電解の2つの装置が必要なので莫大なコストがかかります。その点、光触媒は粉末状なので費用が抑えられるというメリットがあります。太陽光発電ほどの太陽エネルギー変換効率が実現できれば、光触媒は経済的にも、環境的にも、意味があるシステムになると期待されています。

池田先生

KONAN-PLANET 記者

光触媒の期待が、どんどん高まるばかりです！  先生、光触媒について詳しく聞かせてください。

光触媒とは、光を吸収して、そのエネルギーを利用して 化学反応（触媒反応）を引き起こす物質のこと。いま、もっとも効率が良いのはチタン酸ストロンチウムという半導体を主成分とする光触媒で、これは白い粉末状の形状をしています。ただ、白いということは我々が見える可視光線を反射してしまうんですね。現在、効率良く多くの光触媒が利用できるのは、紫外線のみです。現在もっとも効率が良い光触媒では吸収した紫外線のほぼ100%を水素に変換できるようになっています。

池田先生

KONAN-PLANET 記者

紫外線だけでは不足、なんでしょうか。

太陽光の中で紫外線が占めるのは4％です。紫外線に加えて可視光線も利用できれば、ようやく水素製造技術として世の中に出せるのではないかと考えています。ちなみに、太陽光パネルは太陽光のほとんどを吸収でき、太陽エネルギー変換効率は一般的なもので15%程度。それに比べると、光触媒の変換効率はまだまだなんですね。

池田先生

ここ数年の研究は劇的に進んでいる！

この1､2年で紫外線のほぼ100％を変換できる素材が見つかったというのは、じつは劇的な進歩。今から30年前、池田先生が大学院で研究を始めた頃は、たとえ紫外線であってもその変換効率が5％程度だったそうです。近年は可視光領域の光も使える光触媒が見つかっており、池田先生の研究室でも大学院生や4年生の学生らが熱心に取り組んでいます。 ちなみに、光触媒は、光を吸収する良い素材（半導体）を見つけることも大切ですが、その表面をうまく加工しないと水分解光触媒として使えません。素材の開発、表面加工の開発の両方が相まって、ようやく紫外線を100％吸収できるレベルに到達したのだそうです。

KONAN-PLANET 記者

池田先生が目指すゴールを教えてください！

太陽光の変換効率を10％へ。 そうすれば、国や企業が本気になってくれるはず。少なくとも太陽光の10％くらいの変換効率が実現できれば、国や企業が本気になるのではないかと思っています。甲南大学の町田先生が研究されている次世代蓄電池（全固体電池）は、すでにいくつかの民間企業が本気で取り組んでいると伺っています。そのレベルになるには、変換効率10％は必要だと考えています。NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）では、光触媒を使ったプロジェクトがすでに走り始めています。昔に比べると学術的なプレイヤーは同世代も若い人も増えています。太陽光発電と同じくらい世の中に認知されるのも、そう遠くないのではないでしょうか。

池田先生

研究成果の展開

KONAN-PLANET 記者

「光触媒による水分解」の実用化で、どんなことを期待されますか？

まず、太陽光発電と電気分解装置で水素を作るより、スケールメリットを考えると圧倒的にコストが押さえられます。光触媒は「粉」なので、例えば基材に塗って並べるだけで水素製造が可能です。簡単ですよね。さらに、何度も言いますがCO2を排出しないクリーンな水素として脱炭素社会にも貢献できるでしょう。そもそも、なぜ水素なのかというと「貯めて運べる」からです。電気は貯蔵しても徐々に放電され、大量に運ぶのは難しい。水素のように化学物質にすると運びやすくなり、利用される分野も増えます。 光触媒を使って水素を作ることは、誰かがやらなくてはけない、 絶対必要な技術という気持ちでやっています。

池田先生

日本国内だけの話ではない、世界規模で必要とされる技術。 

もし、光触媒水素分解が実用化されたとしても、日本は国土が狭いため国内だけで必要な水素を生産するというのは難しいと池田先生は言います。そうなると、海外で水素を生産し輸送することが必要になる。水素を効率よく輸送するには、主に以下の3つの方法があります。

❶ 水素は加圧すると液体になるため液化水素で運ぶ。 

❷ 化学反応させ炭化水素（液体）にして石油のように運ぶ。 

❸ 水素を一旦アンモニアにして運ぶ。

まだ、どの方法がいいのか答えは出ていないというのが池田先生の見解。ヨーロッパなど地続きであれば他国からパイプラインで運べますが、日本は島国なので輸送が必須。水素キャリアの技術開発も日本が先進国、というのも納得です。

「光触媒水分解」は間違いなく日本が牽引してきた分野。

人類の技術として大きく進展し、

あともう少しで手が届くところにきています。

化石燃料に代わる国産エネルギーの一つとして、

実用化への期待がますます高まります！

池田研究室の活躍に今後も注目です！