太陽光と水を利用した新しい触媒で効率的なグリーン水素生産の革新

Tokyoオレゴン州立大学の研究者は、新しい材料を開発しました。この材料は、太陽光と水から効率的にクリーンエネルギーを生み出します。材料は光触媒として機能し、水素を生産することが可能です。水素は、自動車の燃料電池で利用されたり、アンモニアのような化学薬品の製造、金属の精錬、プラスチックの製品化に役立ちます。この発見は、温室効果ガスの排出を削減し、気候変動に対抗するための有力な新しい方法となる可能性があります。

キリアコス・スティリアヌと彼のチームがオレゴン州立大学の科学部で研究しているのは、金属有機構造体（MOFs）です。これは、用途に応じて微細な穴のサイズを調整できる素材です。MOFsは、金属イオンと有機分子が結合して構成されています。

この研究では、チームはルテニウム酸化物、チタン酸化物、硫黄および窒素のドーピングを用いて、水を太陽光で水素に分解する光触媒の能力を向上させるヘテロ接合を作り出しました。彼らはこの新しい材料をRTTAと呼んでいます。

異なるタイプのRTTAを酸化物含有量を変えて試験した結果、RTTA-1が最も効果的であることが判明しました。ルテニウム酸化物の含有量が最も少ないRTTA-1は、水素の生成速度が最も速く、高い量子収率を示しました。1時間で1グラムのRTTA-1が10,700マイクロモル以上の水素を生成しました。

スタリアヌは、RTTA-1が効果的に機能する理由として、金属酸化物の特性と元のMOFの表面特性がうまく組み合わさることを挙げています。この新しい手法により、水素の生産がより持続可能で効率的になる可能性があります。

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この新しい光触媒を使って水から水素を生成する方法は、天然ガスを用いるよりもクリーンです。通常、水素はメタンの蒸気改質によって製造され、その際に二酸化炭素が放出されます。この新しい技術では太陽エネルギーを利用するため、より環境に優しい選択肢となっています。

電気触媒を使用して水素を生成するには、電気を触媒に流す必要がありますが、持続可能性を確保するためには再生可能エネルギーを利用しなければなりません。また、メタン蒸気改質法による水素の生産コスト、すなわち1キログラムあたり約1.50ドルと競争できる価格である必要があります。これに対し、グリーン水素のコストは1キログラムあたり5ドル程度です。

スティリアヌ氏によると、水は水素の豊富な供給源であり、太陽光を利用して光触媒を通じて水素を生成することができます。ルテニウム酸化物は高価ですが、RTTA-1で必要な量はごくわずかであるため、工業用途にはあまり問題になりません。もしこの触媒が安定して信頼できるものであるならば、少量のルテニウム酸化物にかかるコストはそれほど重要ではなくなります。

この研究は、OSU の科学学部、化学科、および引退した公立学校の教師で OSU の卒業生であるブライアンとマリリン・クライナーによって資金提供されました。このプロジェクトは『Angewandte Chemie』に発表され、大学院生のエマニュエル・ムサ、アンキット・ヤダヴ、カイル・スミスが中心となって進めました。その他のメンバーには、ジューリィ「デービッド」ジー教授、電子顕微鏡施設のディレクターであるピーター・エシュバッハ、ポスドク研究者のミン・スー・ジョン、そして客員教授のウィリアム・スティックルが含まれています。