新研究: 革新的な触媒でグリーン水素の持続可能な生産が実現可能に

Tokyo科学者たちは、環境に優しい水素を製造するための新しい触媒を開発しました。従来の方法ではメタンなどの化石燃料が使われ、多くの二酸化炭素を排出し環境に悪影響を及ぼします。より良い方法は水の電気分解ですが、これは再生可能エネルギーを使うと最も効果的です。水を水素と酸素に分解するためには、通常非常に高価な触媒として白金やイリジウムといった希少元素が必要とされます。

プロトン交換膜（PEM）技術は、高い速度とエネルギー効率で水の電気分解を行う有望な方法です。しかし、PEMシステムは現在、陽極触媒にイリジウムを依存しています。イリジウムは希少で高価であるため、大規模なグリーン水素の生産を妨げています。最近、科学者のグループがイリジウムに代わるものを見つけることで進展を遂げました。彼らは水の特性を活用して安定性と効率を確保しながらグリーン水素を生成する、新しい触媒を開発しました。この触媒はイリジウムに依存していません。

ICFOの研究チームには、ラニット・ラム、ルー・シア博士、アンク・グハ博士、ビクトリア・ゴロヴァノワ博士、マリノス・ディミトロポロス博士、アパルナ・M・ダス、アドリアン・ピニリャ・サンチェスといったメンバーが含まれており、F. ペラヨ・ガルシア・デ・アルケル教授が率いています。他の研究者は、カタルーニャ化学研究所（ICIQ）、カタルーニャ科学技術研究所（ICN2）、フランス国立科学研究センター（CNRS）、ダイヤモンド・ライト・ソース、先端材料研究所（INAM）から参加しています。

非イリジウム触媒には大きな問題があります。それは非常に酸性の条件で分解してしまうことです。一方、イリジウム酸化物は安定しており、良好な性能を発揮するため、広く使用されています。他の材料、例えばマンガン酸化物やコバルト酸化物を使う試みもされていますが、工業用途に必要な高い電流レベルでは通常、持ちこたえることができません。

新しい方法ではコバルト-タングステン酸化物 (CoWO4 または CWO) が利用され、層間剥離プロセスが含まれます。このプロセス中、タングステン酸化物 (WO4 2-) が水 (H2O) と水酸基 (OH-) に置き換えられます。この基礎的な環境は、触媒構造に水を統合するのを促進します。

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研究者たちは、動作中の新素材を調べるために、赤外線、ラマン、およびX線分光法などの異なる方法を使用しました。彼らは捕捉された水とヒドロキシル基が、素材の活性と安定性に非常に重要であることを発見しました。ヒンド・ベンジディ博士のモデルは、捕捉された水が酸性条件下で触媒の安定性を保つのに役立つことを示しました。

処理されたCoWO4触媒はPEM反応器で試験され、1 A/cm²の電流密度を発揮し、高電流密度においても600時間以上安定した性能を維持しました。

新しい触媒は、イリジウムを使用しない古いものと比べて非常に優れた性能を発揮しています。研究チームは、水とヒドロキシル基を加えることが他の素材の改良にもつながると考えています。現在、彼らは代替素材としてマンガンとニッケルの使用を検討しています。

チームはすでに新しい触媒の特許を申請しており、より大規模な生産を計画しています。ガルシア・デ・アルケル教授によると、必要であればどんな元素でもテストする用意があるとのことです。ラニット・ラム氏は、再生可能エネルギーの推進は気候変動の対策に役立つとコメントしています。この新たな進展により、イリジウムのような希少資源を必要とせずに持続可能な水素生産に一歩近づきました。