CO2を資源に変える夢の技術：光触媒とは？

地球温暖化の原因となる二酸化炭素（CO2）を、有用な化学物質に変える技術は、持続可能な社会の実現に向けた大きな目標の一つです。その中でも「光触媒」は、太陽の光エネルギーを使ってCO2を還元（化学的に別の物質に変える）する、夢のような技術として注目されています。

しかし、光を吸収する半導体と、実際にCO2を変換する「分子触媒」の間で、電子が効率よくスムーズにやり取りされる「界面電子移動」を実現するのは非常に難しい課題でした。特に、太陽光を幅広く利用できる「狭いバンドギャップ」（光を吸収できるエネルギーの幅が狭い、つまり弱い光でも反応できる）を持つ半導体では、電子移動に必要なエネルギーが小さくなるため、この課題はさらに深刻です。これまでの多くの研究では、電子の橋渡し役として銀（Ag）のような金属粒子を使うことが一般的でした。

常識を覆す新材料：K2LaTa2O6N (KLTON)の力

今回、私たちは、層状ペロブスカイト型酸窒化物（酸素と窒素の両方を含む特殊な酸化物）であるK2LaTa2O6N（通称KLTON）という新しい半導体材料に注目しました。このKLTONは、バンドギャップが2.1 eVと比較的狭いにもかかわらず、銀ナノ粒子（非常に小さな銀の粒）に頼ることなく、分子触媒と組み合わせることで非常に効率的なCO2光還元を実現できることを発見しました。

私たちは、このKLTONを「RuRu′」という超分子（複数の分子が特定の形で結合した）CO2還元触媒の支持体として用いるハイブリッド系を構築しました。その結果、このハイブリッド触媒は、可視光照射下でCO2を選択的にギ酸（CO2から作られる有用な化学品）に変換し、99%以上の高い選択性、691という高いターンオーバー数（触媒が何回反応を繰り返したかを示す指標）、そして420 nmの光で6.1 ± 0.6%という高い量子収率（吸収した光子に対してどれだけ生成物ができるかを示す効率）を示しました。

驚くべきことに、少量の銀を添加してもターンオーバー数は1.5倍程度に増加するものの、他の一般的な酸窒化物ベースのハイブリッド系で報告されているような劇的な活性向上は見られませんでした。これは、KLTONベースのシステムが銀への依存性が非常に低いことを示しており、この材料のユニークな特性を際立たせています。

隠されたメカニズムを解明：電子の動きを追う

では、なぜKLTONはこれほど効率的なCO2光還元を、銀に頼らずに実現できるのでしょうか？私たちは、その秘密を解き明かすために、様々な高度な分析技術を駆使しました。

まず、銀や酸化マンガン（MnOx）を表面に光で析出（堆積）させる実験からは、KLTONの層状構造が持つ段差のある表面で、電子を受け取る反応と、電子を放出する反応が、それぞれ異なる場所で起きていることが示唆されました。

さらに、「時間分解マイクロ波伝導度測定（TRMC）」や「過渡赤外吸収測定（TRIR）」といった、光が当たった瞬間の電子の動き（キャリアダイナミクス：光が当たったときに、物質の中で電子がどう発生し、どこへ、どれくらいの速さで移動するか）を追跡する実験を行いました。これにより、KLTONが光を吸収した後に生成される電子や正孔（電子の抜け穴）が、触媒反応に有利な動き（好ましいキャリアダイナミクス）をしていることが明らかになりました。銀を添加すると、この電子の動きがわずかに変化することも分かりました。

また、「時間分解発光測定」からは、光を吸収するRu(II)分子触媒とKLTONの界面で、電子的な相互作用が起こっていることが示唆されました。これらの結果は、KLTONの持つ特別な電子の振る舞いが、この高いCO2還元効率の鍵であることを明確に示しています。

未来を拓く分子ハイブリッド触媒

この研究は、狭いバンドギャップを持つ層状酸窒化物半導体であるKLTONが、好ましいキャリアダイナミクスと低い銀依存性という重要な特徴を持つことを示しました。これは、可視光を利用したCO2還元などの分子光触媒反応において、層状の狭バンドギャップ混合アニオン半導体（複数の陰イオンを含む半導体）が、非常に有望な支持材料となりうることを示唆しています。

地球温暖化問題の解決や、持続可能な社会の実現に向けて、光エネルギーを利用してCO2を化学資源に変える研究は、今後ますます重要になるでしょう。新しい材料の発見と、その働きを分子レベルで解明する化学の面白さを、ぜひ大学で体験してみてください。

参考論文

• Xian Zhang, Jo Onodera, Shuji Anabuki, Naoki Tarutani, Ryosuke Nishikubo, Takuto Soma, Shuwei Liu, Kiyofumi Katagiri, Akira Yamakata, Osamu Ishitani, Akinori Saeki, Kazuhiko Maeda (2026) “Favorable Carrier Dynamics in a Narrow-Gap Layered Oxynitride Enable Efficient Molecular Hybrid CO2 Photoreduction” ACS Catalysis, 6, 05897. DOI: 10.1021/acscatal.6c05897

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