水からきれいな燃料を取り出す

Mar 15, 2023

クリーンエネルギーの豊富な供給が目に見えるところに潜んでいます。 再生可能エネルギーを利用して水（H2O）から抽出できる水素です。 科学者たちは、気候変動との戦いの一環として、化石燃料に代わるクリーンな水素を水から生成する低コストの方法を模索している。

水素は水だけを排出しながら車両に動力を供給できます。 水素は、多くの工業プロセス、特に製鉄やアンモニア生産において重要な化学物質でもあります。 これらの業界では、よりクリーンな水素を使用することが非常に望まれています。

米国エネルギー省 (DOE) のアルゴンヌ国立研究所が率いる多機関チーム低コストの触媒を開発しました水からきれいな水素を生成するプロセスに。 他の貢献者には、DOE のサンディア国立研究所、ローレンス バークレー国立研究所、Giner Inc が含まれます。

「電気分解と呼ばれるプロセスは水から水素と酸素を生成するもので、1世紀以上前から存在している」とアルゴンヌ大学の上級化学者、ディ・ジア・リュー氏は語った。 彼はまた、シカゴ大学のプリツカー分子工学大学院でも兼務しています。

陽子交換膜 (PEM) 電解装置は、このプロセスの新世代技術を代表します。 室温付近でより高い効率で水を水素と酸素に分解できます。 エネルギー需要が削減されるため、太陽光や風力などの再生可能だが断続的な資源を使用してクリーンな水素を製造するのに理想的な選択肢となります。

この電解槽は、各電極 (カソードとアノード) に個別の触媒を使用して動作します。 カソード触媒は水素を生成し、アノード触媒は酸素を生成します。 問題は、アノード触媒にイリジウムが使用されていることですが、現在の市場価格はオンスあたり約5,000ドルです。 イリジウムの供給不足と高コストが、PEM 電解槽の普及にとって大きな障壁となっています。

新しい触媒の主成分はコバルトで、イリジウムよりも大幅に安価です。 「私たちは、最小限のエネルギー消費で高スループットで水素を生成する、PEM 電解槽での低コストのアノード触媒の開発を目指しました」と Liu 氏は述べています。 「私たちの方法で調製したコバルトベースの触媒を使用することで、電解槽でクリーンな水素を製造するためのコストの主なボトルネックを取り除くことができます。」

電解槽と燃料電池の商品化に向けて取り組んでいる大手研究開発会社である Giner Inc. は、工業用操作条件下で PEM 電解槽テスト ステーションを使用して新しい触媒を評価しました。 他社触媒をはるかに上回る性能と耐久性を実現しました。

触媒の性能をさらに向上させるために重要なのは、電解槽の動作条件下での反応機構を原子スケールで理解することです。 研究チームは、アルゴンヌの先進光子源 (APS) で X 線分析を使用して、動作条件下で触媒内で発生する重大な構造変化を解読しました。 彼らはまた、サンディア研究所とアルゴンヌのナノスケール材料センター（CNM）で電子顕微鏡を使用して、重要な触媒の特徴を特定しました。 APS と CNM はどちらも DOE Science Office のユーザー施設です。

「私たちは、さまざまな準備段階で新しい触媒の表面の原子構造を画像化しました」とアルゴンヌの材料科学者、Jianguo Wen氏は語った。

さらに、バークレー研究所の計算モデリングにより、反応条件下での触媒の耐久性に関する重要な洞察が明らかになりました。

このチームの成果は、1960年代の米国宇宙計画の「ムーンショット」を模倣したDOEの水素エネルギー・アースショット計画における一歩前進となる。 その野心的な目標は、グリーン水素の製造コストを 10 年以内に 1 キログラムあたり 1 ドルに下げることです。 そのコストをかけてグリーン水素を生産すれば、国の経済を再構築する可能性がある。 アプリケーションには、電力網、製造、輸送、住宅および商業用暖房が含まれます。

「より一般的には、我々の結果は、高価な貴金属から作られた触媒を、はるかに安価で豊富な元素で置き換えるという有望な道筋を確立するものである」とLiu氏は述べた。

この研究は Science 誌に掲載され、DOE エネルギー効率・再生可能エネルギー局、水素・燃料電池技術局、およびアルゴンヌ研究所主導の研究開発資金によって支援されました。

アルゴンヌの著者は、Liu に加えて、Lina Chong (現在、上海交通大学)、Jianguo Wen、Haiping Xu、A. Jeremy Kropf、Wenqian Xu、Xiao-Min Lin です。 バークレー研究所の著者には、Guoping Gao、Haixia Li、Ling-Wang Wang が含まれます。 Sandia Labs の著者は Joshua D. Sugar です。 寄稿者 Zach Green と Hui Xu は Giner Inc. の出身です。

- このプレスリリースはもともとアルゴンヌ国立研究所のウェブサイトに掲載されたものです