二酸化チタンが太陽光水分解装置の鍵となる

ノースカロライナ大学チャペルヒル校のエネルギー前線研究センターの研究者らは、太陽のエネルギーを水素燃料に変換できるとされるシステムを構築しました。.

“「いわゆる『太陽燃料』である水素は、自然の光合成を手本にすることで、夜間にもエネルギーを蓄える方法を提供します」と、ノースカロライナ大学理学部のアーリー特別教授であり、主任研究者のトム・マイヤー氏は述べました。「私たちの新たな発見は、太陽のエネルギーを貯蔵する新たな方法に関する最後の大きな鍵となるかもしれません——これは太陽エネルギー社会への転換点となる可能性があります。」‘

この新しいシステムは「染料感応型光電気合成セル（DSPEC）」と呼ばれ、マイヤー氏とUNCの同僚たち、およびノースカロライナ州立大学のグレッグ・パーソンズ研究グループが設計したもので、太陽のエネルギーを利用して水を分解し、その成分である水素を生成します。分解後、水素は隔離・貯蔵され、副産物の酸素は大気に放出されます。.

“「しかし、水を分解するのは非常に難しいことです」とマイヤー氏は声明で述べました。「2つの水分子から4つの電子を取り出し、別の場所へ移動させ、水素を生成しなければなりません。しかも、いったん生成した水素と酸素を分離して保つ必要があります。こうしたことを可能にする分子を設計することは、私たちが克服し始めた非常に大きな課題です。」”

マイヤー氏の設計には、基本的な2つの要素があります。一つは分子、もう一つはナノ粒子です。分子であるクロモフォア触媒複合体は太陽光を吸収し、触媒を活性化して水から電子を引き抜きます。数千個のクロモフォア触媒複合体が結合したナノ粒子は、ナノ粒子の膜の一部となっており、電子を運び出して水素を生成します。.

ノースカロライナ大学チャペルヒル校によると、最良の試みを行っても、システムは常に故障していました。それは、クロモフォア触媒複合体がナノ粒子から離れてしまったり、電子を十分に速やかに運び出せずに水素が生成できなかったりするためでした。.

これらの問題を解決するため、マイヤー氏はNCSUのパーソンズ研究グループに助けを求め、ナノ粒子を酸化チタンの薄層でコーティングする手法を用いました。.

超薄膜を用いることで、研究者たちはナノ粒子が以前よりもはるかに速く電子を運び出せることを発見しました。これにより、自由になった電子が水素を生成するために利用できるようになりました。また、クロモフォア触媒複合体をナノ粒子にしっかりと固定する保護コーティングの作り方も明らかにしました。これにより、複合体が表面に留まることが確実になりました。.

ナノ粒子を通じて電子が流れ、固定化された接続が安定したことで、マイヤー氏の新しいシステムは外部電力をほとんど必要とせず、太陽のエネルギーを燃料に変えることができます。.

既存技術を基に、このような太陽光から燃料への変換装置を導入するインフラはすでに見えてきています。次の目標は、同じ手法を用いて二酸化炭素をホルマートやメタノールなどの炭素ベースの燃料へ還元することです。.

“「バッテリーに蓄えたエネルギーで惑星を動かすという話をすると、現実的ではありません」とマイヤー氏は述べました。「実は、最もエネルギー密度の高い蓄え方は分子の化学結合にあるのです。そして、私たちが行ったのはまさにそれ——化学を通じて答えを見つけたのです。」”