水を分解して水素燃料にする太陽光集光材料で作られたシステムは、通常、数分から2日程度しか持たないが、化学者と材料科学者のチームが、これを数週間まで可能にしました。

文：Prachi Patel
2022年6月16日

豊富な材料で作られた新しい人工葉が、水と太陽光から数週間にわたって水素を発生させ、これまでの記録を塗り替えたと新しい研究が報告しました。この発見により、燃料となるグリーン水素を持続可能かつ安価に製造する方法が可能になる可能性があります。

水素は燃料として、ガソリンやディーゼルに比べて重量あたり3倍、リチウムイオン電池よりもはるかに多くのエネルギーを保持することができます。また、水素を燃料として電池のようなもので走る水素燃料電池自動車は、副産物としてマフラーに水が出るだけです。水素は特に航空や船舶などの長距離輸送の燃料として有望視されています。

しかし、輸送の脱炭素化のためには、水素はより環境に優しいものでなければなりません。現在、水素は主にメタンを分解して製造されていますが、その際、二酸化炭素が発生します。グリーン水素は、再生可能な電力を使って水を分解することで製造されます。

電気を使わずに水素を製造するもうひとつの方法は、植物の光合成に似た方法で水を分解するために太陽光を利用することです。しかし、ペロブスカイトのような安価で地球上に豊富にある材料で作られた人工葉デバイスは、水に浸すとうまくいかず、通常数日しか持ちません。

英国の化学者と材料科学者のチームが、Nature Materials誌に無毒で入手しやすいビスマス酸ヨウ化物という光吸収材料を用いた装置について報告しています。ケンブリッジ大学材料科学・冶金学教授のJudith Driscoll氏はプレスリリースで、「我々は、この材料の幅広い用途の可能性と、製造が簡単で毒性が低く安定性が良いことから、以前からこの材料に取り組んできた」と述べています。

さらに、ビスマス酸ヨウ化物の安定性を高めるために、それを2枚の金属酸化物層で挟み込みました。そして、撥水性のあるグラファイトペーストで装置をコーティングし、光吸収層の安定性を数分から数週間へと向上させました。

研究チームは太陽電池にヒントを得て、ガラス表面に小さな光を吸収するエリア（ピクセル）のあるデバイスを作製しました。試験の結果、この複数のピクセルがあるデバイスは、同じ面積の大きなピクセルを1つ持つ従来のデバイスよりも性能が優れていることがわかりました。これは、一部のピクセルに欠陥があっても、他のピクセルの性能に影響を与えないためです。

この材料とピクセルの設計コンセプトは、持続可能な水素製造のための大規模な人工葉システムへ道を開く可能性があると研究チームは述べています。

出典: Virgil Andrei et al, Long-term solar water and CO2 splitting with photoelectrochemical BiOI–BiVO4 tandems, Nature Materials, 2022.