新エネルギー獲得へのアプローチ
電力生成
太陽電池：Si, 化合物半導体、
色素増感、有機薄膜など
人工光合成：燃料生成
植物の利用：機能の抽出、バイオマス
金属錯体による人工光合成
半導体光触媒：ホンダーフジシマ効果
新エネルギー獲得へのアプローチ
人工光合成へのアプローチと
解決すべき課題
電力生成
太陽電池：Si, 化合物半導体、
b)光合成を真似て超えるアプローチ(２)
色素増感、有機薄膜など
人工光合成：燃料生成
植物の利用：機能の抽出、バイオマス
金属錯体による人工光合成
半導体光触媒：ホンダーフジシマ効果
世界を
主導する
日本（４）
ホンダー
フジシマ効果
紫外光
H
e
e
e
課題：
伝導帯
H
可視光、赤 H O
価電子帯
h
O
外光を如
何にして有
工業化学雑誌, 72, 108(1969).
Bull. Chem. Soc. Jpn., 44, 1148(1971).
効に利用
Nature, 238, 37(1972).
できるか？
-
-
-
2
2 +
2
1/2 2
+
堂免、前田
工藤
阿部、佐山等
世界を
主導する
日本（５）
可視光による水の光分解
三澤：赤外光
いくつかの（オキシ）ナイトライド材料のUV-visスペクトル
太陽光の放射
スペクトル
Ta3N5
LaTiO2N
BaTaO2N
GaN:ZnO
300
400
500
600
Wave
Length (nm)
Wavelength/nm
堂免研究室（東大）
700
800
Chemical System Engineering
The University of Tokyo
Rh-Cr oxide/GaN:ZnOを用いた水の可視光分解
Amount of evolved gases / mmol
Evac.
▼
2.0
λ > 400 nm
H2
1.5
量子収率 = ~ 5.2 %
( at 410 nm)
1.0
O2
450 W high
pressure Hg lamp
0.5
0
0
5
10 15 20 25
Reaction time / h
30
Catalyst: 0.3 g
Cocat.: Rh 1 wt%, Cr 1.5 wt%
Reactant soln.: 370 mL (pH 4.5)
Inner irradiation type cell
with a 2 M NaNO2 aq. filter
450 W Hg lamp
N2
Water cooling
35
NaNO2 aq.
Magnetic
stirrer
Chemical System Engineering
The University of Tokyo
粉末光触媒を用いた可視光照射下での水の完全分解反応
（東京理科大学工藤研究室）
減圧下
Ru助触媒
可視光
可視光
eeBiVO4
H2O
Fe2+
Fe3+
H2
H+
SrTiO3:Rh
h+
h+
Fe3+/Fe2+
Co錯体水素生成光触媒
O2
（Ru/SrTiO3:Rh）
酸素生成光触媒
（BiVO4）
可視光線
(λ>420nm)
光源：300W Xeランプ+カットオフフィルター
塩化鉄水溶液に水素生成光触媒
粉末と酸素生成光触媒粉末を入れ
て，可視光を照射すると，水が分解
して水素と酸素の泡が発生する。
人工光合成
光照射 I
電子
電子
電子供与体
光照射 II
増感剤 I
電子
電子受容体
増感剤 II
電子
電子受容体
（酸化末端）
（還元末端）
H2O
CO2
水電子源
二酸化炭素の還元
次世代のエネルギー資源として、化石資源が尽きる恐れが具体化すると予想される数１０年
後に備えて、太陽光エネルギーを直接電力に変える太陽光発電と太陽光エネルギーを用いて
ＣＯ２と水を原料とし水素の生成やＣＯ２の化学固定など化学エルギーに変換する人工光合成
・有用物質の生産が期待されている。
Ag(2wt%) /BaLa4Ti4O15光触媒を用いたCO2還元反応
（東京理科大学
Amounts of products / µmol
水 +o光触媒粉末 + 光（ここでは紫外線）のみ
r200
l
p
o
m
f 150
µ
o
s
100
t 100
n
u
o 50
50
m
A
工藤研究室）
水+二酸化炭素→合成ガス→有機化合物
水を還元剤としたCO2の
固定化反応に成功
CO
e-/h+=1.0
O2
H2
世界を
主導する
00
Kosuke Iizuka, Tomoaki Wato, Yugo Miseki, Kenji Saito,
0
2
4
6
8
10
12
日本（６）
and Akihiko Kudo J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (51), 20863–20868
人工光合成系の実現
（太陽光、二段階励起でのH2O酸化とCO2還元の共役）
Two photocatalysts
Potential (V vs NHE)
CO2 + H2O
e-
-1.15V
H2O
+3V
eO2
e-
HCOOH + 1/2O2
太陽光変換効率：0.03～0.04%
HCOO-
1.35 eV
+0.2V
Water oxidation
under
Simulated Sun-light
[MCp]
-0.2V
3.2 eV
with no electrical bias
世界を
主導する
日本（７）
h+
eCO2
CO2 reduction
InP/[MCp]
h+
TiO2
豊田中研
Shunsuke Sato, Takeo Arai, Takeshi Morikawa, Keiko Uemura, Tomiko M.
Suzuki, Hiromitsu Tanaka, and Tsutomu Kajino , J. Am. Chem. Soc., 2011, 133,
S. Sato and T. Arai et al. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15240.
15240–15243.
太陽エネルギーを将来の主要な
一次エネルギー源と考えるならば・・・
・超大面積に展開可能な技術
例えば2050年に人類の消費エネルギーの
1/3を太陽エネルギーで賄うとした場合、
１つの水素製造プラントをη=10%,
5 km x 5 km = 25 km2のスケールと想定すると
約１０,００0個つくる必要がある。
・輸送・貯蔵可能なエネルギー形態
水素
水素・メタノール・炭化水素・アンモニア等
の化学物質
堂免（東大工）
水素＋化学エネルギー製造プラント予想図（25km2)
1日7.6時間AM1.5G標準太陽光照射
太陽エネルギー
27 TJ/km2 day
酸素
空気
または
CO2
合成プラント
25 km2 (5 km x 5 km)
ソーラー水素プラント
水素
570トン/日
アンモニア
100万トン/年
または
メタノール
50万トン/年
反応ガス
エネルギー変換効率10%
水
5100トン/日
堂免（東大工）
太陽エネルギーを用いる水分解法
H2O
重要な視
点（１）
まだ決め
打ちはで
きない！
hν
H2
+
1
― O2
2
∆G0 = 238 kJmol-1
▪ 太陽熱発電（CSP） + 電気分解
▪ 太陽光発電(PV) + 電気分解
▪ 光電気化学電池
▪ 太陽熱化学分解
▪ 人工光合成；光触媒
無機固体材料（半導体）
金属錯体
有機分子・高分子材料
生体分子（酵素）
Chemical System Engineering
The University of Tokyo
重要な視点（２）
Solar Fuel
生成物として何を目指すか？
大気環境科学によるアセスメントの視点
水素、ＣＯ、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）（２電子還元生成物）
ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）（４電子還元生成）
メタノール（ＣＨ３ＯＨ）
（６電子還元生成物）
メタン（ＣＨ４）
（８電子還元生成物）
14
Ｃ２化合物～Ｃｎ化合物
重要な視点（３）
企業戦略の視点
パイ（市場）は巨大！
課題の共有が可能
完成技術から将来技術へ
連携が必要不可欠
政策誘導

15
人工光合成を基盤とするエネルギーシステム
2040
インフラ整備の開始
社会による選択
2030
技術展開事例１事例２・・・事例ｎ
2020
議論と選択の土俵
展開研究事例１事例２・・・・事例ｎ
目的基礎研究発見１発見２・・・発見ｎ
基礎科学発見１発見２・・・・発見ｎ
重要な視点（５）
フォーラムへの期待：スタンス
連携
バトンリレー：人材育成
しのぎを削るのではなく
切磋琢磨による連携
将来のイメージを社会に提案
その他
社会の選択
技術課題
経済性
事業主体
世界の潮流
国の政策
社会の理解
高い志による登頂
死の砂漠
実用化のオアシス
PRESTO
Project
on
Artificial
Photosynthesis
(20092017)
JST
Preliminary
Research on
Embryonic
Science and
Technology
Sakigake
(Japanese)
人工光合成フォーラム
リーディングサイエンティスト
若手研究者
科学技術政策決定者
企業
市民
石油エネルギー
死の谷
太陽光エネルギー
人工光合成：新エネルギー
人類の夢
必ず実現しなければならない
課題
Thanks to Klaus Lips,
Prof. Thomas Moore
地球をどうしますか？
The translation of the German phrase on the Cartoon is: "this is how we live, this is how we live,
forever..."