太陽光を利用した水分子を酸素と水素に分ける効率的な触媒

国際研究チームが太陽光を利用した水分子を酸素と水素に分ける効率的な触媒を製造しました。

クリーンエネルギー界の新たな進歩としてエキサイティングな内容になっております。

By some estimates, the amount of solar energy reaching the surface of the earth in one year is greater than the sum of all the energy we could ever produce using non-renewable resources. The technology necessary to convert sunlight into electricity has developed rapidly, but inefficiencies in the storage and distribution of that power have remained a significant problem, making solar energy impractical on a large scale. 

参照元：https://as.virginia.edu/news/research-breakthrough-could-transform-clean-energy-technology
– アルゴンヌ国立研究所 Argonne National Laboratory. Dec 14, 2020 –

ある推定によれば、1年間に地球の表面に到達する太陽​​エネルギーの量は、再生不可能な資源を使用してこれまでに生成できるすべてのエネルギーの合計よりも多くなります。

太陽光を電気に変換するために必要な技術は急速に発展しましたが、その電力の貯蔵と分配の非効率性は依然として重大な問題であり、太陽エネルギーを大規模に非実用的にしています。

しかし、UVAのカレッジと大学院芸術科学研究科、カリフォルニア工科大学、米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所、ローレンスバークレー国立研究所、ブルックヘブン国立研究所の研究者による画期的な進歩により、プロセスから重大な障害を取り除くことができました。

クリーンエネルギーの未来に向けた大きな進歩を表す発見です。

太陽エネルギーを利用する1つの方法は、太陽光発電を使用して水分子を酸素と水素に分解することです。

このプロセスで生成された水素は、燃料として、ある場所から別の場所に移動し、必要に応じて発電するために使用できる形で貯蔵されます。

水分子を構成要素に分解するには触媒が必要ですが、現在このプロセスで使用されている触媒材料は、酸素発生反応とも呼ばれ、プロセスを実用化するのに十分な効率がありません。

しかし、UVAで開発された革新的な化学戦略を使用して、化学教授のSenZhang氏とT.Brent Gunnoe氏が率いる研究者チームは、コバルトとチタンの元素を使用して新しい形の触媒を製造しました。

これらの元素の利点は、イリジウムやルテニウムなどの貴金属を含む他の一般的に使用される触媒材料よりもはるかに豊富な性質を持っていることです。

張氏は話します。

「新しいプロセスでは、酸化チタンナノ結晶の表面に原子レベルで活性触媒サイトを作成します。これは、耐久性のある触媒材料を生成する技術であり、酸素発生反応のトリガーに優れています。効率的な酸素発生反応触媒への新しいアプローチとそれらの基本的な理解の強化は、再生可能太陽エネルギーのスケール使用への可能な移行を可能にするための鍵です。この作業は、原子スケールのナノ材料の調整によってクリーンエネルギー技術の触媒効率を最適化する方法の完璧な例です。」

Gunnoe氏は続けます。

「張氏のラボの成果を中心としたこのイノベーションは、触媒材料を改善および理解するための新しい方法であり、その結果、高度な材料合成、原子レベルの特性評価、および量子力学理論の統合が行われます。数年前、UVAは8つのマックスプランク研究所（ドイツ）、UVA、カーディフ大学（英国）で構成されるMAXNETエネルギーコンソーシアムに参加し、電極触媒による水の酸化に焦点を当てた国際的な共同作業をまとめました。MAXNETエネルギーは現在の種でした。私のグループと張研究室の間の共同の努力は、実り多い生産的な協力であり続けています。」

研究チームは、アルゴンヌ国立研究所とローレンスバークレー国立研究所、および放射線を使用して物質の構造を原子レベルで検査する最先端のシンクロトロンX線吸収分光法のユーザー施設の助けを借りて、触媒は明確に定義された表面構造を持っているため、酸素発生反応の間に触媒がどのように発生するかを明確に確認でき、その性能を正確に評価できます。

アルゴンヌX-論文の共著者である光線物理学者HuaZhou氏は話します。

「この研究では、高度な光子源と高度な光源からのX線ビームラインを使用しました。これには、緊急または差し迫った科学的アイデアを探索するための迅速なフィードバックループ用に確保された「高速アクセス」プログラムの一部が含まれます。私たちは、両方の国立科学ユーザー施設が、クリーンエネルギー技術の飛躍をもたらす水分解に関するそのような巧妙できちんとした作業に大きく貢献できることを非常に嬉しく思います。」

Advanced PhotonSourceとAdvancedLight Sourceはどちらも、それぞれDOEのアルゴンヌ国立研究所とローレンスバークレー国立研究所にある米国エネルギー省（DOE）の科学ユーザー施設です。

さらに、カリフォルニア工科大学の研究者は、新しく開発された量子力学の方法を使用して、触媒によって引き起こされる酸素生成の速度を正確に予測することができ、チームに反応の化学メカニズムの詳細な理解を提供しました。

Caltechの化学、材料科学、応用物理学の教授であり、プロジェクトの主要な研究者の1人であるWilliam A. GoddardIIIは話します。

「私たちは5年以上にわたって酸素発生反応メカニズムを理解するための新しい量子力学技術を開発してきましたが、これまでのすべての研究では、正確な触媒構造を確認できませんでした。張の触媒は明確な原子構造を持っており、私たちの理論的成果は、本質的に実験的な観測可能物と完全に一致していることがわかります。これは、新しい理論的手法の最初の強力な実験的検証を提供します。これを使用して、合成およびテストできるさらに優れた触媒を予測できます。これは、世界のクリーンエネルギーに向けた主要なマイルストーンです。」

UVAの化学部門の議長であるジルベントンは話します。

「この研究は、クリーンエネルギーとこれらの学際的なコラボレーションから生まれる刺激的な発見に向けて取り組むUVAや他の研究者によるチームの努力の素晴らしい例です。」