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» 2014年12月19日 13時00分 UPDATE

自然エネルギー:水から水素を安く大量に製造する手法、3次元構造の炭素シートで

水素をエネルギー源に利用する取り組みが急速に拡大する中で、重要な課題の1つが水素の製造コストを低下させることにある。水を効率よく電気分解できれば、CO2フリーの水素を安く大量に製造することが可能になる。3次元構造の炭素シートを使った水素製造法の研究開発が進んできた。

[石田雅也,スマートジャパン]

 エネルギーの高効率化を研究テーマに掲げる科学技術振興機構(JST)と東北大学が共同で、高価な貴金属を使わない水素の製造方法を開発した。水素は化石燃料から取り出す方法が現在の主流だが、水を電気分解して作ることもできる。ただし水から水素を発生させるためには白金などを電極に利用する必要がある。

 JSTと東北大学は安価な炭素シートを電極に使っても水素を発生できることを実証した。炭素シートは炭素の原子を平面状に並べた「グラフェン」と呼ぶ物質で、電気を通す伝導性が高いことで知られている。

 新たに開発した水素製造法はグラフェンを3次元の構造にして、さらに炭素原子の一部を窒素原子と硫黄原子に置き換えた「3次元ナノ多孔質グラフェン」を電極に利用する。窒素原子や硫黄原子によってグラフェンが不均質な状態になると、水が反応して電気分解によって水素を発生させる(図1)。

jst1_sj.jpg 図1 「3次元ナノ多孔質グラフェン」の模型。中空状のチューブの外側と内側で水から水素を生成する(赤が硫黄原子、緑が窒素原子)。出典:科学技術振興機構、東北大学 

 3次元で中空状の多孔質の構造をとることによって、わずか1グラムのグラフェンでも表面積が800平方メートルにもなる。従来の白金などを使った電極と比べて500倍程度の表面積に拡大できるために、水素の発生反応を広い面積で起こすことが可能になるわけだ。

 研究チームはグラフェンに窒素と硫黄を少量だけ置き換えた(ドープ)場合と大量に置き換えた場合の2通りの方法で水素の発生反応を検証した。その結果、水素を発生させるためには白金を電極に利用する場合よりも電圧を3倍くらい高くする必要がある一方で、白金の代替金属として使われるニッケルと比べると同程度の電圧で水素を発生することが確認できた(図2)。

jst2_sj.jpg 図2 「3次元ナノ多孔質グラフェン」を電極に使った場合の水素発生反応。出典:科学技術振興機構、東北大学 

 この研究結果をもとに、今後は3次元ナノ多孔質グラフェンに少量のニッケルを添加して、白金を超える水素発生能力を持つ電極を開発する計画だ。白金を使わない安価な水素製造法を確立できると、燃料電池車に欠かせない水素ステーションにも応用して、水から大量の水素を現地で安く製造できるようになる。さらには太陽光などの再生可能エネルギーを使って水素を製造する「Power to Gas」のコスト低下にもつながる。

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