従来の太陽熱を利用した水素製造装置の100分の1の大きさで、3倍以上の効率を持つ装置を研究者が開発しました。

文：Prachi Patel
2023年1月19日

太陽光を使って水を水素と酸素に分解することは、自動車、トラック、船舶で使われる排出量ゼロの水素燃料を製造するには最も環境に優しい方法です。今回、これまでに報告された方法よりもはるかに効率よく太陽光を使って水を分解できる装置がNature誌に報告されました。

この装置は、従来の装置の100分の1の大きさで、ソーラー水素のコストを削減し、淡水と海水の両方から水素を製造する実用的な方法を示すものです。「主な課題は、太陽光と淡水または海水から直接水素を製造する効率に関するボトルネックを克服することだった」と、この研究を主導したミシガン大学電気・コンピューター工学科（electrical and computer engineering）のZetian Mi教授は述べています。

植物は太陽光を吸収し、そのエネルギーを使って水を分解する能力に優れています。科学者らは光合成を真似て、水から水素燃料を作るために、さまざまな技術を使って試行錯誤してきました。その一つの例は、太陽光を吸収して電気を発生させ、電池のような電気化学セルで水を分解する特殊な半導体材料に依存するものです。しかし、この方法には腐食性の電解質が必要で、環境にはやさしくありません。

より直接的な方法としては、半導体触媒を使い、太陽からのエネルギーを受けて水の分解反応を起こす方法があります。しかし、このような光触媒システムで太陽熱から水素へ変換する効率は、これまでのところかなり低く、最高でも3%未満にしかなりません。

Mi教授らは、2つの方法でこの効率を高める方法を発見しました。1つは集中させた太陽光を利用することです。もうひとつは、従来の触媒では使われなかった、より波長の高い可視光や熱を生み出す赤外線を利用することです。

より多くの太陽光を利用するための鍵となるのは、シリコンウエハー上に成長させた窒化インジウムガリウムのナノワイヤという触媒です。従来の触媒は太陽光が集中すると分解してしまいますが、ナノワイヤは自己修復性があり、時間が経つにつれて水素生成の効率が向上します。また、ナノワイヤは非常に広いスペクトルの太陽光を吸収することができます。そして水の分解反応を起こすために、より波長の高い可視光線を吸収します。

また、赤外線を吸収することで反応が促進され、水素と酸素が分離しやすくなるため、効率が上がります。

実験室での室内実験では、4cm×4cmの装置にレンズを通して太陽光を当てると、9%の効率で水素に変換されました。しかし、140分間の屋外実験では、この装置の平均効率は6%強に留まりました。

「私たちのアプローチは、このプロセスが高濃度の太陽光の下で効率的に機能することを示しており、光触媒や半導体ウエハにかかるコストを劇的に削減することができる」とMi教授は言います。「さらに、窒化インジウムガリウムは最も生産量の多い半導体の一つであるため、ソーラー水素の製造コストを大幅に削減することができる」と指摘します。

大規模なシステムのために効率をさらに向上させることに加え、「私たちの研究の次のステップは、燃料電池に直接使用できる高純度水素を製造することだ。このアプローチは、太陽電池の生産規模が拡大し、市場に浸透した後に、大規模に実施できると考えている」とMi教授は言っています。

出典：Peng Zhou et al. Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting. Nature, 2023.