堂免一成（信州大学）光触媒を用いた水分解による「人工光合成（ソーラー水素生産）」研究

ネット記事で、読売新聞記事：［先端人］人工光合成で「クリーン水素」…信州大特別栄誉教授　堂免一成さん
という有料記事（内容は全文読めない）があった。そこで、ネット検索とAI調査を行った。

堂免一成（どうめん かずなり）信州大学特別栄誉教授（東京大学特別教授兼任）は、光触媒を用いた水分解による「人工光合成（ソーラー水素生産）」研究の世界的権威です。

太陽光と水、そして粉末光触媒を用いて高効率に水素を取り出す技術を確立し、カーボンニュートラル実現に向けた次世代エネルギー基盤技術の開拓において国際的に極めて高い評価を受けています（クラリベイト・引用栄誉賞を受賞するなど、ノーベル化学賞候補としても度々挙げられています）。

主な業績と技術的ブレイクスルー

堂免教授の最大の業績は、「実用的な太陽光・水素変換効率を持つ光触媒系の開発」および「大面積モジュールによるソーラー水素生産の原理実証」にあります。

1. 可視光応答型「オキシナイトライド（酸窒化物）光触媒」の開発

従来の水分解光触媒（チタニアなど）は、太陽光のわずか数%しか含まれない紫外光しか利用できませんでした。堂免教授らは、半導体のエネルギーバンド構造を制御する錯体化学・固体化学的手法を駆使し、太陽光の多くを占める可視光線を吸収して分解反応を進める窒化物・酸窒化物・酸硫化物系の光触媒を次々と創製しました。

2. Zショーム（Z-scheme）水分解システムの構築

植物の光合成（2段階の光化学系機構）を模倣し、水素発生用光触媒と酸素発生用光触媒の2種類を電子伝達体や固相界面で連結する「Zスモール系（2段励起型）」を開発。これにより、これまで極めて困難とされていた可視光下での完全水全分解を高効率で達成しました。

3. 量子収率100%近くに達する光触媒（SrTiO_3:Al）の発見

2020年には、アルミニウムをドープしたチタン酸ストロンチウム（SrTiO_3:Al）光触媒に適切な助触媒を担持させることで、紫外光応答領域において量子収率がほぼ100%（理論限界値）に達する完全水分解を達成。結晶の電子・ホール再結合欠陥を極小化する材料設計指針を提示しました。

4. 大面積「光触媒シート」と実証プラントの開発

粉末状の光触媒を基板上に固定化した「光触媒シート」を開発。NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）の「人工光合成プロジェクト」の技術責任者として、100m²規模のパネル型リアクター陣を野外に設置し、太陽光から高純度水素を安全かつ連続的に捉える実証実験に世界で初めて成功しました。

代表的な論文（Selected Publications）

堂免教授の論文はNature誌やScience誌をはじめとするトップジャーナルに多数掲載されており、総引用数は数万回を超えます。

今後の展望と学術的意義

従来の「水電解方式（太陽光発電＋電解装置）」と比較して、堂免教授らの「粉末光触媒シート方式」は構造が非常にシンプルであり、大面積・低コストでソーラー水素を大量生産できる唯一の候補として期待されています。

現在は、変換効率のさらなる向上（実用化の目安とされる太陽光-水素変換効率10%の達成）と、CO₂と反応させてプラスチック等の化学品原料（オレフィンなど）を合成するフルセットの人工光合成プロセスの社会実装に向け、産学官連携の先端研究を牽引されています。