想い/Our thoughts

(日本語)光触媒開発への想い

近年、地球温暖化が森林火災や大雨等の自然災害として実生活で身近に感じられるようになり、またIPCCによる第6次の報告書で人的起源とリスクについて明確にされたことで、一気にこれからの対策・対応が話題に上るようになりました。

しかし、私を含め多くの人は、既に10年以上前からその兆しを、身近な社会生活の中に違和感として少しづつ感じはじめていたのではないでしょうか。

これまでは社会も技術も人の生活を便利にする、豊かにするに重点を置いた経済優先の取り組みでした。しかし、先進国においては、十分に豊かさが実現され、特に半導体の発展により、今なお限りなく便利な社会が実現されつつあります。しかし、一方で地球規模での環境破壊が進み、便利さがたまには忙せわしさや騒音を伴い、不快さや鼻につく振る舞い等を多く感じるようになりました。

そして、こうした環境に、将来の社会に、子供たちの行く末に不安が芽生え、ここらで立ち止まり、何か未来を明るくする、ここ数百年の工業の発展に伴い犠牲にされ、無視されてきたものを少しでも修正するための材料開発に貢献したいと思うようになりました。こうして現在、環境・エネルギー素材に特化して材料の開発を進めています。その一つが「光触媒」です。

「光触媒」という言葉は、製品、商品説明の言葉としては必ずしも良い言葉だとは思いません。正に科学者のネーミングで、一般の消費者には、それが何を意味するか想像ができないネーミングです。「光」は分かります、でも「触媒」は理解不能です。しかし、現状においては、何か特別なもの、あるいは素晴らしい機能を持った商品とでも言うように「光触媒」という言葉が多用されています。しかし、消費者は理解できません。素直に、光消臭材、光抗菌材、光分解材とでも言えば、それが何者かもっと分かると思うのですが。

そうです、「光触媒」という材料は、光の力(エネルギー)で悪臭ガスや有機物、細菌、ウイルスを分解できる材料なのです。太陽の光は、目に見えない波長の短い紫外光(5%)と、色がついて見える波長400~800nm(ナノメーター)の可視光(45%)、それから温かい熱として感じられるもっと波長の長い赤外光や遠赤外光(50%)から成りたっていますが、これまでの光触媒は紫外光だけに反応するものでした。従って、太陽が燦燦と輝く屋外では5%以下の紫外光を利用する紫外光光触媒が使われてきましたが、室内には蛍光灯や白色LEDの発する可視光しかなく紫外光が少ないために光触媒は主に屋外で使われるものでした。

 長年研究者は、屋内でも使用できる可視光で反応する光触媒(可視光光触媒)の開発を進めてきましたが、最近やっと室内の可視光でも性能を発揮する光触媒が開発されました。 そして当社も2年前に国内でトップクラスの性能を持つ可視光光触媒を独自開発し、現在は利用技術や商品化開発を進めながら、今なお性能を実感できる世界最高クラスの光触媒を目標に開発を進めています。

 しかし、先にも述べた通り元々の開発動機は、光触媒の持つ光消臭、光抗菌といった環境改善材料としての材料開発だけではないのです。ここは通過点であり、光触媒材料開発の終着点は、光触媒発見当初に見いだされた光水分解という機能の高性能化による実現であって、何とかここまで開発を続けたいと思っています。

光水分解とは何か、そう、これは最先端の技術であり、水の中に入れた光触媒に光を当てることで、水(H2O)を分解して、酸素(O2)と水素(H2)を発生させるという技術なのです。通常、水を直接酸素と水素に分解するためには、2000℃以上という高温を必要としますが、光触媒を使うと太陽光を当てるだけで水を酸素と水素に分解することができるのです。そして、この発生した水素は、今話題の化石燃料に代わるエネルギー源として、燃焼しても二酸化炭素を発生させないグリーンエネルギーとして、次のカーボンニュートラルな水素社会を形づくる根幹物質として期待されているのです。

ただ、光触媒による太陽光のエネルギーを水素のエネルギーに変換する性能は、まだまだ低く、数%の変換効率しか実現できていません。原因の一つは、太陽光の中の可視光エネルギーが十分利用できていないからです。しかし、この変換効率が10%を超えれば、取りあえず商業化はできると言われており、世界中で開発が進められているのです。

今は誰もが知っていて、身近にあるのが当たり前になった太陽電池(主に半導体シリコン)ですが、この太陽電池も、太陽のエネルギーを電気エネルギー変えるものとして新エネルギー源として開発が進められ、変換効率が10%を超える辺りから商業化が進み、現在では変換効率も20数%を超えて再生可能エネルギーのホープとして至る所で利用されているのです。

 さて、この光触媒による水分解の技術開発は、国内では10年前から国のプロジェクトとして「人工光合成技術の開発」として進められています。この人工光合成技術は、水素社会の実現と相まって、第一段階で光触媒を使って太陽光で水を分解して酸素と水素を作り出し、第二段階でこの水素と空気中の二酸化炭素を使って、簡単な炭素化合物である有機物をつくるという内容です。

「光合成」と言えば、植物が太陽光を浴びて葉緑素内で土中の水と空気中の二酸化炭素から酸素とデンプン等の炭素化合物(有機物)を作ることとして学校で教わりますが、「人工光合成」は、正に植物の光合成と同じことを人工的に実現させようとする画期的な技術なのです。そして、その初期段階に位置する内容が、光触媒と太陽光を使って、水を分解して水素を作り出すことなのです。

 この壮大な開発内容に対して、個人、中小企業でできることは限られています。しかし、この技術を実現させるブレークスルーは、必ずしも巨大な組織や多大な費用の中で生まれるものではないと信じ、少しでもあるいはほんのきっかけでも、未来に、子供達の将来に役に立つことができればとの思いで研究開発を続けているのです。

(English)Our thoughts on developing photocatalysts

In recent years, global warming has become familiar to our daily life as natural disasters around the world such as forest fires and heavy rains. Furthermore, countermeasures against such natural disasters have been attracting tremendous interest since their human-caused origin and risks them have been stated on the Sixth Assessment Report by Intergovernmental Panel on Climate Change. Perhaps, most of us may have started feeling the sign of natural phenomena in our everyday life since days over 10 years ago.

Our society and technology have been focusing on economic growth in order to make our life convenient and rich until recently, especially by development of semiconductor, and it is about to be achieved these days. Meanwhile, environmental destruction has advanced at a global level, and our development has brought us uncomfortable noise, smell and strange behaviour of nature.

I have begun to feel anxious about such behaviour of environment, the future of our society and children. Now, I have come to think of how I could contribute to a development of materials to fix what we have ignored and sacrificed for the development of industries last several hundred years. This is why my company currently developing materials dedicated to the environment and energy, and one of our material technologies is called ‘photocatalyst’.

We do not think the word, ‘photocatalyst’ is always a suitable word for products or product descriptions because it is literally a term for scientists and the consumers cannot really imagine what it actually means. People may understand ‘photo’ part, while ‘catalyst’ is incomprehensible for ordinary people. However, ‘photocatalyst’ is frequently used as if it is something special or a product with wonderful functions. It might be rather straightforward if it is called something like ‘photo-deodorant materials’, ‘photo-antibacterial materials’, ‘photo-decomposing materials’, etc. Yes, the ‘photocatalyst’ is a material that can decompose malodorous gas, organic matter, virus and so on. Sunlight consists of ultraviolet (5%), which has a short wavelength and is invisible, visible light (45%), which has a wavelength of 400-800 nm, and infrared and far infrared (50%), which have a longer wavelength and are felt as warm heat. Previous photocatalysts have reacted only to UV light which is only 5% of sunlight. Therefore, UV photocatalysts are essentially used outdoors where the sun is shining brightly since only visible light is emitted by fluorescent lamps and white LED lamps and there is little UV light in the room.

For many years, researchers have been working on developing photocatalysts that react with visible light and can be used indoors (visible-light photocatalysts), but recently, a photocatalyst that performs well even under indoor visible light has finally been developed. And two years ago, our company also developed its own visible-light photocatalyst with top-class performance in Japan. Currently, we are developing the world’s top-class photocatalyst with satisfactory performance, while proceeding with development of application technology and commercialisation.

Having said that, as mentioned earlier, the original motivation for the development of photocatalyst is not just for environmental improvement such as the material development of photo-deodorant and photo-antibacterial materials. It is just a steppingstone. The eventual goal of developing photocatalytic material is delivering photo-water splitting/decomposition, which was the function of photocatalyst found out since its discovery, by offering technical advantages. We really wish to carry out our development to achieve the goal.

So, what is photo-water splitting? Well, it is a cutting-edge technology that decomposes water (H2O) and generates oxygen (O2) and hydrogen (H2) by shining light on a photocatalyst in water. Normally, a high temperature of more than 2,000 ℃ is required to decompose water directly into oxygen and hydrogen. However, with photocatalysts, water can be decomposed into oxygen and hydrogen just by exposing it to sunlight. Moreover, the generated hydrogen is expected as a hot energy source to replace fossil fuels, as green energy that does not generate carbon dioxide even when burnt, and as a fundamental substance that would lead to the next carbon-neutral hydrogen economy/society.

However, the performance of photocatalysts to convert solar energy into hydrogen energy is still low, and only a few percent of conversion efficiency has been achieved. One of the reasons for this is that the visible light energy in sunlight is not fully utilised. It is said that if the conversion efficiency exceeds 10%, commercialisation would be tentatively possible, so the development is underway all over the world.

Solar cells (mainly semiconductor silicon) are now widely known and are familiar to us, and they have been developed as a new energy source to convert solar energy into electric energy. Commercialisation of solar cells started when their conversion efficiency exceeded 10%, and they are now used everywhere as the hope of renewable energy with their conversion efficiency exceeding 20% as of now.

Now, the development of technology for water splitting by photocatalysts has been promoted in Japan to achieve hydrogen economy/society for the past 10 years as a national project under the theme of “Development of Artificial Photosynthesis Technology”. The artificial photosynthesis technology is generating oxygen and hydrogen with photocatalysts and sunlight in the first stage, and producing organic matter, a simple carbon compound, from the generated hydrogen and carbon dioxide in the air in the second stage.

The term, ‘photosynthesis’ is often taught in schools as a reaction when plants produce oxygen and carbon compounds (organic substances) from water in the ground and carbon dioxide in the air in the chlorophyll when exposed to sunlight. On the other hand, ‘artificial photosynthesis’ is an epoch-making technology that aims to artificially achieve the same thing as plant photosynthesis. The early step of this technology is generating hydrogen by decomposing water with photocatalyst and sunlight.

For this epic development, what individuals and minor enterprises can do is limited. However, we believe that the breakthroughs to deliver the technology is not necessarily created from a huge organization or a large amount of money. We hope that we could help our future and the future of our children a little. That is why we are continuing our research and the development.