汚染水の浄化などに期待、太陽光を80％の高効率で変換し水蒸気を生み出す材料：太陽光

東北大学 原子分子材料科学高等研究機構の研究グループは、世界最高レベルの太陽光エネルギーの変換効率を持つ水蒸気発生材料を開発した。3次元構造を持つナノグラフェンを用いた材料で、水蒸気の生成や純水の精製、汚染水の濃縮や浄化などさまざまな用途に利用できるという。

[長町基，スマートジャパン]

　東北大学 原子分子材料科学高等研究機構の伊藤良助教、陳明偉教授らは、3次元構造を持つグラフェンを用いた高性能な水蒸気発生材料を開発した（図1）。グラフェンは、ナノサイズの細孔がランダムにつながったスポンジ状構造体を持つ、多孔質構造体だ。今回の研究では太陽光をこの3次元多孔質グラフェンに照射した結果、水の蒸発スピードは1平方メートル当たり1.5kg/h（キログラム毎時）となった。この数字は太陽光エネルギー変換率の80％に相当し、これまで発表された水蒸気発生効率の中で世界最高レベルとなっている。

図1 ナノサイズの多孔質グラフェン素材から水蒸気が発生する様子 出典：東北大学

　太陽光は無尽蔵に生み出されるクリーンなエネルギー源として古くからさまざまな分野で活用されている。近年は、太陽光を直接電気エネルギーに変換する太陽電池の研究および実用化が進められてきた。しかし太陽電池の場合、太陽光エネルギーの利用効率は特殊な場合を除いて20〜30％台であり、太陽光をより有効に活用する技術の研究が続けられている。一方、太陽熱温水器やヒートポンプなど、太陽光を熱エネルギーとして活用する方法や、太陽光を集光することで媒体を高温に加熱して発電に使用する太陽熱発電も試みられている。

　今回の研究は3次元多孔質グラフェンを太陽熱温水器の集光材料に使用することで、太陽光の熱エネルギーを効率よく吸収し、さらにその熱エネルギーが局所的に集中することで反射鏡やレンズなどの集光装置を用いることなく、水から水蒸気を発生させることに成功した。

　太陽光で加熱された水は比重差による対流現象や熱伝導によって熱が拡散し、温度が均一化に向かうため熱水は保持されない。しかし、今回の研究では窒素を導入した3次元多孔質グラフェン（図2）を吸収材として使用することで、そのミクロサイズの孔内に捕らわれた水が集中的に加熱される。これにより熱が拡散することなく容易に高温化できることから、水蒸気への変換効率を従来のグラファイト粉を用いた場合の56％から、80％にまで高めることに成功した。

図2 走査型電子顕微鏡で見たナノ多孔質グラフェンの表面（左）と側面 出典：東北大学

　この成果は、太陽光の熱エネルギーが従来の用途に加え、蒸発・濃縮の用途にも簡単に活用できることを示した事例である。例えば海水から純水の精製、汚染水の濃縮・浄化などのさまざまな用途に適用できると期待される。東北大学は太陽光の利用方法の拡大を目指し、企業との連携を含めナノ多孔質グラフェンの大量生産手法の開発を模索していく考えだ。

テーマ別記事一覧

　太陽光　　自然エネルギー