泉 康雄

自然光のみをエネルギー源として、Co–ZrO2光触媒を用いるとCO2からはC1~3パラフィンが、COからはエチレンおよびプロピレンを選択して得られた。還元剤はH2でもH2Oでもよく、ZrO2表面の酸素欠陥サイトとCo0サイトが連携して働く。

カーボンニュートラル（carbon neutral）という言葉は，現在では学校や新聞，週刊誌で見聞きする一般用語となっている．カーボンニュートラルに基づくCO2削減目標は，持続可能開発目標（sustainable development goals, SDGs）と言える．このSDGsという略語も流行語となっており，これまた一般用語となりつつある． CO2と材料とは密接に関係するように思うが，本稿では材料の中で光触媒を取りあげる．光触媒には光に応答する錯体や無機半導体を基にするものが知られているが，本稿ではいわゆる材料と関連の深い，無機半導体を中心に述べる． 化石燃料の燃焼で生成したCO2を，再生可能エネルギーを用いて燃料に戻すことができれば，CO2の排出と吸収を等しくするカーボンニュートラルサイクルを実現することができる．光エネルギーは，太陽光発電に代表されるように再生可能エネルギーとして大いに期待されており，筆者の研究室では光触媒を用いてCO2を燃料に戻すことを目指した．

化石燃料の使用により大気中のCO2濃度は1750年の278 ppmから現在の408 ppm1)にまで徐々に上昇し、その結果として地球温暖化による地球環境や生態系への悪影響が懸念されている。環境と調和した持続可能な社会を実現するためには、化石燃料に依存しない再生可能エネルギーへのシフトを求められている2)。加えて元素戦略的な観点から、安価で地殻埋蔵量が豊富な元素（および物質）を用いてエネルギーを得る必要がある。これらは持続可能な開発目標（Sustainable Development Goals）の内で、エネルギー、生産と消費、気候変動の解決に繋がる。 上記の解決には、太陽光を電力に変換する太陽電池、および水素等の化学エネルギーを電力に変換する燃料電池が発電時にCO2を発生しない発電方法としてとりわけ有益である。しかし固体高分子型燃料電池は触媒として白金を使用することがネックであり、白金代替物質の実用化は程遠い。太陽電池においては、後述のように低コストで持続可能な物質のみで構成し、地球上に降り注ぐ膨大な持続可能である太陽光エネルギーを有効に利用可能エネルギーに変換できるものも存在し、その場合最も持続可能な発電方法といえる。 このような理由から太陽電池と燃料電池の研究・開発は、持続可能社会の実現に最も有力なツールとして広範に行われている。太陽電池は、シリコン太陽電池・色素増感太陽電池・ペロブスカイト太陽電池・有機薄膜太陽電池・バイオ太陽電池が知られており、それらの発電効率は着実に改良されてきている。しかし、それらには単結晶シリコンや白金、鉛などの高価か、あるいは有毒な物質を必要とする。これらとは対照的に、両極に安価な遷移金属酸化物ベースの光触媒を用いることで、高価か、あるいは有毒物質を必要としない光触媒式太陽電池の研究・開発に著者らは取り組んできたので、本稿で解説する。