研究内容

金属酸化物中の酸化物アニオンO^2-の一部をN^3-、F^-、H^-などの異種アニオンに置き換えると、電子構造、結晶構造、化学反応性を大きく変えることができます。前田研究室では「複合アニオン」というコンセプトを基盤として、従来の合成法では得にくい準安定材料や二次元材料を開拓しています。さらに近年は、分子性ユニットを含む無機材料を「超セラミックス」として捉え、無機固体と分子の境界領域へ研究を広げています。

分子は光吸収や触媒反応を精密に設計できる一方、半導体は電荷輸送や安定性に優れます。これらを踏まえて、色素、分子触媒、酸化物ナノシート、酸窒化物、ポリマー状窒化炭素などを組み合わせ、単独の材料では実現しにくい人工光合成反応を目指しています。最近では、単に材料を組み合わせるだけでなく、界面で電子がどの方向へ、どれくらいの速度で動くのかを理解し制御することを重視しています。

CO₂は安定な分子ですが、適切な触媒の存在下でエネルギーを与えると、一酸化炭素やギ酸などの化学原料へ変換できます。前田研究室では、無機半導体、分子触媒、配位高分子、MOF、複合アニオン材料など、多様な物質群をCO₂変換へ展開しています。また最近では、光触媒だけでなく電気化学的CO₂還元にも研究を広げています。

水分解は、光エネルギーを水素という化学エネルギーへ蓄える人工光合成の基本反応です。可視光を利用できる半導体光触媒、色素増感型光触媒、光電極を開発するとともに、水素生成と酸素生成のそれぞれを支配する材料・界面・触媒の役割を調べています。性能指標（反応速度）だけでなく、なぜその材料が働くのかを明らかにすることを研究の重要な目標としています。

新しい触媒・光触媒を見つけるだけでは、研究は終わりません。X線回折、電子顕微鏡、XPS、XAFSなどによる構造・電子状態解析により、活性な触媒・光触媒の特性を調べます。さらに、実際の光照射中・電気化学反応中に何が起こっているのかをin situ / operando XAFS、超高速レーザー分光などを用いて追跡します。最近では、光触媒反応そのものを活用して活性触媒の素性を解き明かす試みもはじめています。こうして得られた知見を、次の材料設計へフィードバックします。