シンガポールの人工葉が汚染された海水から水素を生成

シンガポールの南洋理工大学（NTU）の研究チームは、太陽光のみを利用して海水から水素を生成する人工葉を発表した。この装置は、一部の産業廃水に含まれる毒性の高い化学物質であるヒドラジンも分解する。つまり、クリーン燃料の生産と汚染物質の浄化を一度に実現できるのだ。

研究者らはこの研究成果を『ネイチャー・コミュニケーションズ』誌に発表した。研究チームを率いたのは、南洋理工大学（NTU）材料科学工学部のリディア・H・ウォン教授である。

海水が硬い理由

ほとんどの電解装置は、真水や精製水を分解する。海水ははるかに豊富にあるが、塩分が問題となる。海水に電流を流すと、塩化物イオンが腐食性や毒性のある塩素化合物を生成する傾向がある。

これらの化合物は電極を腐食させ、それ自体が廃棄物問題を引き起こす。そのため、海水から水素を製造するには、通常、まず高価な脱塩処理を行うか、腐食に強い電極が必要となる。

オーストラリア、中東、北アフリカの一部地域を含む乾燥した沿岸地域で計画されている水素ハブにとって、淡水の供給は既に懸念事項となっている。海水を直接利用することで、その負担を軽減できるだろう。また、国家水素戦略を掲げながらも淡水資源が限られているシンガポールのような島嶼国にも適している。

NTUの設計では、こうした問題の多くを回避している。研究チームは、ヒドラジンを水素と窒素に分解する触媒を陽極に取り付けた。同時に、この反応によって塩素化合物の生成が抑制される。

ペロブスカイトカソード

デバイスの反対側には、ハロゲン化鉛ペロブスカイトから作られた陰極が用いられている。これらの結晶性材料は光をよく吸収し、安価に電気に変換できる。そのため、過去10年間、太陽光発電研究において大きな注目を集めてきた。また、製造業者は低温で溶液から製造できるため、コストを抑えることができる。

ここで、ペロブスカイト光カソードは、1平方センチメートルあたり25ミリアンペアの光電流密度を達成した。光電流密度とは、照射面積あたりにデバイスが生成する電流の量を示す指標である。研究チームによると、この数値は鉛系ペロブスカイトカソードで報告されている中で最も高い値の一つだという。

この装置は、晴天時の太陽光と同等の光条件下で72時間以上にわたり安定した出力を維持した。また、水素生成速度は、同様の太陽光発電装置と同等であった。

水を浄化しながら

この葉型装置は外部電圧を必要としないため、自己発電式です。簡単に言えば、太陽光だけで両方の反応が進行し、電力網やバッテリーから電力を消費することはありません。試験では、約30時間以内にヒドラジンを10億分の1以下にまで分解しました。事実上、この装置は試験溶液から汚染物質をほぼ完全に除去したと言えます。

ヒドラジンは、化学製造などの工業プロセスやロケット燃料として使用されています。人や水生生物にとって有毒な物質であるため、ヒドラジンを含む廃水は慎重な処理が必要です。燃料製造時にヒドラジンを除去できる装置があれば、廃棄コストをささやかな収益源に変えることができるでしょう。

規模拡大前の課題

今回の結果は実験室規模のものであり、いくつかの大きな疑問点が未解決のまま残っている。ペロブスカイトには既知の弱点があり、湿気、熱、長時間の光照射によって劣化する。3日間の安定動作は、この種の材料としては優れた結果と言えるが、商用システムでは数年間の稼働が必要となる。

鉛の使用は、水中での使用を想定したあらゆる機器にとって疑問点を生じさせる。技術者は、その材料が長期間にわたって密閉状態を維持できることを証明する必要があるだろう。さらに、小型の実験室用セルを大型パネルに拡大すると、通常は効率が低下する。

とはいえ、この研究は、水の分解を促進する層状太陽電池材料など、太陽光を利用した直接水素製造手法の新たな選択肢となる。沿岸部の工業地帯にとって、汚染水を処理しながら海水から水素を製造できるのは魅力的な組み合わせだ。次のステップは、このコンセプトが実験室外の実際の環境下でも機能することを証明することである。