金ナノロッドの光充電メカニズムを直接観測、持続可能エネルギー応用への道筋を確立

ポツダム大学の物理学者ヴォウター・クープマン博士が率いる研究チームは、光触媒として機能する金ナノロッド内部で光充電プロセスが進行する様子を初めて直接的に捉え、その物理モデル化に成功した。この成果は、二酸化炭素の燃料化や水の水素製造といった持続可能なエネルギー技術の効率化に重要な示唆を与えるものである。金ナノロッドは光を吸収し、電子の集団振動へと変換する微小なアンテナとして機能し、その表面に電荷を蓄積する「光化学キャパシタ」として振る舞うことが、詳細な記述により明らかになった。

本研究の核心は、これまで解明が困難であった、照明下における金属ナノ粒子内部での充電プロセスを具体的に記述した点にある。光照射により電子と正孔のペアが生成されると、正孔はエタノールなどの周囲の分子へ移動する一方、電子は粒子上に捕捉されたまま留まり、これが光充電を引き起こす。この現象は、ナノスケールでの光誘起化学反応を制御するための具体的な物理的枠組みを提供する。研究チームには、筆頭著者で科学コーディネーターのフェリックス・シュテテ博士、ポツダム大学物理天文学研究所、そして2024年から活動を開始した共同研究センターSFB 1636が関与している。

シュテテ博士によれば、単一のナノ粒子とその環境との間に、光のみで電位を発生させることが可能である。クープマン博士は、これらの粒子が本質的に外部電圧源を必要としないナノスケールの電解槽のように機能すると述べている。この知見は、自己完結型の光駆動化学変換システムの開発可能性を示唆しており、持続可能なエネルギーソリューションへの世界的な需要の中で、その関連性は高い。光充電は、ナノスケールの金属粒子が関与する光触媒作用における中心的かつこれまで捉えどころのなかったプロセスであった。

SFB 1636共同研究センターはドイツ研究振興協会（DFG）から資金提供を受けており、この研究はその一環として推進された。光触媒を用いた二酸化炭素の燃料化は、カーボンニュートラルサイクル実現に向けた技術として期待されている。さらに、光触媒による水素製造は、化石燃料からの脱却を目指す上で経済合理性を持つ太陽エネルギー変換技術の一つとして位置づけられている。金ナノロッドの光充電メカニズムの直接的な解明は、光誘起化学反応の精密な制御を可能にし、太陽光駆動型化学反応器や新しいエネルギー貯蔵技術への応用への道筋を開く、基礎的な物理プロセスの理解における重要な前進であると評価される。