産業技術総合研究所、光触媒の表面改質で水素製造速度を約1.5倍に

ニュース紹介

「光触媒の潜在能力を引き出す表面制御技術を開発－光触媒－電解ハイブリッドシステムに適用し、水素製造において世界最高性能を達成－」

産業技術総合研究所ゼロエミッション国際共同研究センター人工光合成研究チームの渡邊健太氏（研究実施当時産総研特別研究員、現東京科学大学助教）、三石雄悟研究チーム長、佐山和弘首席研究員らは、太陽光を利用した水素製造に有望なBiVO4（バナジン酸ビスマス）光触媒の性能を引き出す表面制御技術を開発しました。この光触媒を、光触媒と電解を組み合わせて水素を製造する「光触媒－電解ハイブリッドシステム」に適用したところ、水素製造速度は従来最高性能のWO3（酸化タングステン）系光触媒を用いた場合の約1.5倍となりました。

研究チームは、強酸性の鉄塩水溶液中で十分な性能を発揮できない主な原因が、反応中に蓄積する鉄イオン（Fe2+）との不要な反応にあることを明らかにしました。BiVO4の表面をタングステン酸塩の水溶液で改質すると、この反応が大幅に抑えられ、酸素生成速度は改質前の約40 µmol/hから約520 µmol/hへ、約13倍に向上しました。本成果は、学術誌「ACS Catalysis」にオンライン掲載（11月7日付）されました。

出典：産業技術総合研究所 2026年11月6日プレスリリース／掲載誌：ACS Catalysis／DOI：10.1021/acscatal.6c05752
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2026/pr20261106/pr20261106.html

FrontJournalの解説

この研究分野について

光触媒は、光を吸収して酸化反応や還元反応を引き起こす触媒（反応を助ける物質）です。太陽光で水を分解して水素をつくる研究に使われ、水素は化学品の製造や脱炭素社会のエネルギー媒体として期待されています。

「産業技術総合研究所」は、光触媒の反応に電解（電気で水を分解する方法）を組み合わせる「光触媒－電解ハイブリッドシステム」を研究しています。光触媒の反応で光エネルギーを鉄塩水溶液に化学エネルギーとして蓄え、後段の電解で水素の製造に使います。このため、必要な電解電圧を通常の水分解の理論電圧（1.23 V）より低くできます。

①光エネルギーの一部が鉄イオンとの反応で失われていた

BiVO4が吸収できる光の波長の上限（吸収端）は約520 nmで、従来最高性能のWO3系光触媒の460〜480 nm程度より長い波長の可視光を使えます。理論上は太陽光をより多く活用できるものの、このシステムでは性能が十分に伸びていませんでした。

研究チームが調べたところ、光触媒が吸収した光エネルギーは、水から酸素をつくる反応だけでなく、反応で増える鉄イオン（Fe2+）の酸化にも使われていました。BiVO4ではこの副反応が水の酸化より優先して進むため、優れた光吸収が生かされていませんでした。

②表面をタングステン酸塩で改質し酸素生成速度を約13倍に

チームは、2010年にWO3光触媒で提案した「表面を制御して反応の選択性を高める」という設計指針をBiVO4へ広げ、タングステン酸塩の水溶液で表面を改質しました。酸素生成速度は約40 µmol/hから約520 µmol/hに上がり、0.1 mol/LのFe3+がほぼすべてFe2+に還元されるまで反応が続きました。

約13倍は改質前のBiVO4に対する酸素生成速度の伸び、約1.5倍は従来最高性能のWO3系システムに対する水素製造速度の伸びです。産総研は、実際に生成した水素量に基づく評価で世界最高性能としています（2026年9月現在、研究チーム調べ）。