太陽エネルギーをもっと効率的に貯蔵できないか？「金ナノ粒子」が役立つかもしれない

・金ナノスターは、太陽エネルギーの利用を増加させ、気候変動と闘うのに役立つ可能性がある。
・半導体でコーティングした場合、水から水素を生成する効率が、これまでの実証実験より4倍高くなる。

コロイド状金ナノ粒子は、可視光線を照射すると鮮やかな色を生成することから、何十年もの間、利用されてきました。このユニークな光電子特性は、現在、感覚プローブ、治療薬、有機光電池など、他の用途でも研究され、応用されています。

金の光学的・電子的特性は、その形状、大きさ、状態、表面化学的性質を変えることにより、容易に変化させることができるため、先端材料【既存の材料の問題を解決する新しい材料として開発されている材料】の幅広い利用への扉を開くことになります。

最近、アメリカのラトガース大学の研究者たちが、星形の金ナノ粒子が太陽エネルギーの利用拡大と気候変動対策に役立つ可能性があることを発見しました。金ナノ粒子を半導体でコーティングすると、水から水素を発生させる効率が、他の技術に比べて4倍高くなるのです。

どのようにして実現したのか？

この研究は、光触媒、つまり太陽光を利用して、より安価で迅速な反応を作ることに焦点を当てています。紫外線（UV）を浴びた二酸化チタンは触媒として利用できるものの、UV光はあまり効率的ではありません。

研究チームは、紫外線を使うのではなく、赤外光と可視光のエネルギーを利用して金ナノ粒子の電子を励起させました。これらの電子は、化学反応を触媒する半導体により効率的に伝達されます。

これらの金ナノ粒子を結晶性チタンでコーティングするために、研究チームは低温合成を用いました。金ナノスターを二酸化チタンでコーティングし、赤外線、可視光線、紫外線を照射したのです。

ナノスターは最も温度に敏感な金ナノ粒子であり、ホット・エレクトロンの発生に最も有望な粒子でもあります。界面活性剤を使用せずに合成されるため、酸化チタンの殻を金の表面に直接成長させることができます。寸法やスパイク数を変えるために、その形態を構成することができます。

これらのナノスターは、スパイクの周囲に強力な局所的電磁場を発生させることができ、これにより酸化チタンと金属の界面にホット・エレクトロンが集中します。

ホット・エレクトロンとは何でしょう？それは、励起プラズモン【金属中の自由電子による集団的な振動（プラズマ振動）の量子】から十分なエネルギーを吸収し、界面ショットキー障壁（金属と半導体の接合部に形成される電子のポテンシャル障壁）を越えて、金の価電子帯から酸化チタンの伝導帯へとフェルミ準位以上に到達する電子のことです。

成果

電子が金から半導体に移動する仕組みを調べた結果、この電子が水から水素を発生させる効率は、これまでの実証実験よりも4倍も高いという結論に達しました。水素は貯蔵することができ、太陽光が利用できないときに電気を作ったり、自動車を動かしたりする燃料として使うことができます。

この技術は、太陽光を利用する方法を増やすためにさらに強化することができます。研究チームは、この種の材料は、例えば化学産業や太陽電池産業、あるいは二酸化炭素を利用可能なものに変換するなど、幅広い応用が可能だと考えています。