半導体光触媒を用いた人工光合成において世界最長の連続動作時間を実現
～樹木が年間で固定する炭素量を上回る炭素固定量を350時間連続動作で達成～

日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田明、以下「NTT」）は、太陽光エネルギーを利用する半導体光触媒と二酸化炭素（CO₂）を還元する金属触媒を電極として組み合わせた人工光合成デバイスを作製し、世界最長の350時間連続炭素固定を実現しました。CO₂変換反応による累積炭素固定量は420g/m²に達し、これは樹木（スギ）が年間で固定する単位面積当たりの炭素量を上回る量に相当します。
　今後は、より高性能な人工光合成デバイスを実現するために、電極での反応の高効率化、電極の長寿命化の両立を図ります。さらに、屋外試験を通じて、太陽光エネルギーを用いたCO₂削減技術のひとつとして確立し、気候変動の抑制に寄与し、持続可能な社会の実現に貢献します。
　本成果のベースとなる技術は、2023年11月14日～17日に開催されるNTT R&D フォーラム― IOWN ACCELERATION（※1）に展示予定です。

a） NTTグループ温室効果ガス排出量の削減イメージ（国内＋海外）

b）植物の光合成と人工光合成の比較イメージ

図1. NTTが掲げるカーボンニュートラルと人工光合成の研究開発

1. 研究の背景

気候変動を抑制するため、世界中で脱炭素に向けた取組が加速しています。NTTグループでは、2040年にグループ内でのカーボンニュートラルを実現するため^[1]、再生可能エネルギーの導入やIOWNによる消費電力の削減など、さまざまな温室効果ガス排出量削減の取り組みを進めています（図1a）。これらに加え、既に大気中に排出されたもしくは排出されるCO₂を一酸化炭素（CO）（※2）やギ酸（HCOOH）（※3）などに変換して固定化する技術として、半導体（※4）や触媒（※5）などの無機物で構成され、植物の光合成を超えるCO₂変換性能（※6）を実現できる人工光合成の研究開発を行っています（図1b）。
　人工光合成はこれまでに世界中で様々な研究が進められており、特に高いCO₂変換効率（※7）を実現できる触媒に関する検討が盛んです。一方で、連続したCO₂変換の試験時間は数時間から数十時間レベルに留まっており、長時間化に向けた劣化抑制の技術確立が課題となっています。

2. 研究の取り組みおよび成果

人工光合成は、図2に示されるように、半導体光触媒（※8）を用いた酸化電極（※9）と金属触媒を用いた還元電極（※10）から構成されます。実用化に向けての具体的な課題として、腐食等による劣化を抑制し、長時間の反応に耐えうる長寿命な電極設計が求められています。また、人工光合成によるCO₂変換は、水溶液中の溶存CO₂をCOやHCOOHへ還元する手法が広く用いられていますが、水溶液中に溶解できるCO₂の量には限りがあり、副反応（※11）が起こりやすくなります。このため、CO₂を選択的に変換する電極構造やデバイス設計が求められています。
　NTTでは、長時間連続して気相中のCO₂をより効率的に変換可能な人工光合成の実現をめざし、光をエネルギーとして利用するための長寿命な半導体光触媒電極と、気相のCO₂を高効率に変換するために電解質膜と一体化した繊維状の金属触媒電極により構成した人工光合成デバイスを設計しました。

図2. 人工光合成デバイスの概略図

＜技術のポイント＞

①半導体光触媒電極の劣化反応抑制技術
半導体光触媒として用いている窒化ガリウム（GaN）（※12）系電極は、GaN表面と水溶液の界面で生じる劣化反応の抑制が課題でした。そこで、GaN表面の凹凸をより滑らかにし、光を十分に透過する厚さ2nmの均一な酸化ニッケル（NiO）（※13）薄膜を保護層として形成することでGaNと水溶液の接触を防ぎ（図2a）、電極の劣化を大幅に抑制することに成功しました。
②気相CO₂の変換技術
従来の水溶液中に溶存しているCO₂を変換する金属電極は板状の構造が主流ですが、今回、気相のCO₂を変換するために、CO₂拡散性の高い繊維状金属とCO₂変換反応に必要なプロトン（H⁺）を反応場に供給する役割を持つ電解質膜（※14）を一体化した電極構造を考案しました（図2b、左）。これにより水溶液中に電極を浸漬させることなくCO₂変換反応に必要なプロトン（H⁺）を反応場に供給できるようになり、気相のCO₂を直接変換することを可能にしました。これらの電極構造の工夫により、従来に比べ10倍以上のCO₂変換効率を実現しました。

上述した人工光合成デバイスに疑似太陽光（※15）を照射し、気相のCO₂変換試験を行った結果、350時間連続してCO₂がCOやHCOOHに変換されたことを確認しました。生成したCOやHCOOHから算出した単位面積当たりの累積炭素固定量（※16）は420g/m²に達し、半導体光触媒を用いた人工光合成において世界最長の350時間連続動作を実現しました。この検証による炭素固定量は、樹木（スギ）の木1本が1m²当たり約1年間で固定するCO₂を上回る量に相当します。

図3. 光照射時間に対する炭素固定量の変化

3. 今後の展開

今後、より高性能な人工光合成反応を実現するために、電極での反応の更なる高効率化、電極の長寿命化およびこれらの両立をめざします。また、実験室環境での検討だけではなく屋外での試験を通じて、太陽光エネルギーを用いたCO₂を減らす技術のひとつとして確立し、気候変動の抑制に寄与し、持続可能な社会の実現に貢献します。