光–化学エネルギー変換（人工光合成）

　地球に降り注ぐ太陽光は人類が消費する約1万倍にも匹敵するエネルギーを持つといわれ、次世代に向けたクリーンかつ無尽蔵なエネルギー源として利用が高く期待されています。当研究部門では光を利用して水の分解や二酸化炭素の還元による固定などの化学反応を起こすことで、水素やメタンなどの化石燃料に替わるエネルギーキャリア（化学エネルギー）を太陽光のもとで効率よく創出することのできるエネルギー変換システムの開発に取り組んでいます。
　光エネルギーを化学エネルギーへと直接変換する際に最もよく利用される材料に光触媒があります。光触媒とは半導体セラミックス材料の一種であり、光を吸収すると還元力の高い電子と酸化力を備えた正孔をそれぞれ伝導帯と価電子帯に生成します。これらは光触媒粒子の表面へと拡散し、水を酸化、プロトンや二酸化炭素と還元反応を起こすことにより、水素やギ酸、メタノール、メタンなど様々な有用な化合物を生成することが可能です。光触媒を用いた反応には反応前後でギブス自由エネルギーが減少するdown-hill反応と増加するup-hill反応の二種類があり、エネルギーを獲得するup-hill反応を起こして社会に有用な化合物を光化学的に作り出すことは自然界の光合成と対比して、人工光合成と呼ばれています。

　光触媒において、光吸収により生成する電子と正孔が持つ酸化還元力は吸収する光のエネルギーと相関し、エネルギーの強い光を吸収するほど酸化還元力の強い電子と正孔が生成します。そして、一般的にこれらの酸化還元力が強いほど化学反応は容易に進行するため、光触媒ではエネルギーの強い光（紫外光などの波長の短い光）を使うほど効率良く水を分解することが可能です。一方で、太陽光の大半を占めるのは可視光や赤外光のようなエネルギーの弱い光であるため、太陽光エネルギー利用の観点では、そのような光のもとでいかに効率良く水の分解や二酸化炭素還元を達成するかが重要です。

全固体型二段階励起光触媒の開発

　可視光での水分解に向けて私達が取り組んでいる研究のテーマの一つが全固体型二段階励起光触媒の開発です。この光触媒では水素発生と酸素発生のそれぞれに特化した二種類の光触媒を作製し、導電性の金属ナノ粒子でつなぎ合わせて用いることにより水の分解を進行します。このように光励起を二段階で行う手法はZ-スキームと呼ばれ、植物の光合成においても採用されている手法であり、光触媒材料の選択の幅を広げて可視光を利用しやすくします。実際に私達はこれまでにこのシステムに利用できる光触媒の組み合わせを探索し、様々な組み合わせにおいて水の分解を達成してきました。そして、これに伴い利用可能な波長範囲を段階的に拡大することに成功し、現在では可視光を超えて近赤外光に相当する波長850 nmまでの利用を実現しています。また、従来研究されてきた二段階励起光触媒では光触媒間の電子の移動を媒介するイオンを水溶液中に添加する必要がありましたが、この光触媒では粒子間に挿入された金属ナノ粒子がその役割を果たすため、水に光触媒を加えて太陽光を照射するだけで水素を生成することが可能です。また、この系は二酸化炭素の還元反応にも応用可能であることが分かってきています。

多電子移動触媒の開発および設計指針の開拓

　化学反応では電子を一つずつ逐次的に移動するよりも複数個を一度に移動する方が熱力学的に駆動が容易になります。このような反応は多電子移動反応と呼ばれ、化学合成やエネルギー変換、生物の代謝など様々な場面で重要な役割を担うことが知られており、人工光合成において鍵となる酸素発生や二酸化炭素還元も多電子移動反応により進行します。しかし一方で多電子移動反応の進行過程は非常に複雑で、これを制御する手法は経験的にも理論的にも確立されていません。そこで、当研究部門では電気化学や分光化学など駆使して多電子移動反応の活性を支配している反応中間体や触媒特性を明らかにし、そこで得られる知見を基に新規触媒の設計開発を進めています。そしてさらに、開発した多電子移動触媒を光触媒と組み合わせることにより、実際に光照射のもとで水分解や二酸化炭素固定を効率良く行うための研究を行っています。

熱・光–電気エネルギー変換

　熱を電気に直接変換できる“熱電変換”技術は、未利用の熱エネルギー（産業排熱、自動車エンジン排熱などや太陽熱、地熱など再生可能エネルギー）から電気エネルギーを得ることができ、かつゼロエミッションで動作信頼性が高いため、持続発展可能な社会に不可欠なエネルギー循環システムの構成要素として、大きな期待が寄せられています。近年では、様々な形態で環境中に存在するエネルギーを電力に変換する環境ハーベスティング技術は充電・電池交換・燃料補給を必要としない電源として、ユビキタス社会やモノのインターネット（IoT）の実現に必須の技術となっています。その中でも太陽熱や身の回りの未利用熱を電力に直接変換できる熱電変換技術への期待が高まっています。

　当研究部門では熱電変換材料の設計や創製と共に、光によって熱電変換物性を向上させる異常光熱電効果の研究を進めています。熱電変換物性向上にはゼーベック係数、導電率の向上が求められます。一般的には、光照射によって導電率は向上、ゼーベック係数は低下するトレードオフ関係が成立し、これを正常光熱電効果と呼びます。一方、酸化タングステンに白金や酸化白金を担持した系では光による着色現象（フォトクロミック現象）に伴って熱電物性（導電率、ゼーベック係数）が向上すること、すなわち光照射がないときの通常の熱電効果に加え、光の効果で獲得できる電力が増大することを見出しました。この技術を利用すれば、例えば遮光機能を発現しつつ発電機能が向上したスマートウィンドウなどが実現できるのではないかと考えています。