スーパーコンピュータで絞り込む「太陽光を利用して水素生成を促進する材料」

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スーパーコンピュータで絞り込む「太陽光を利用して水素生成を促進する材料」

太陽光を利用して水素生成を促進する材料を、スーパーコンピュータを使い絞り込む試みが進んでいます。

Using solar energy to inexpensively harvest hydrogen from water could help replace carbon-based fuel sources and shrink the world’s carbon footprint.

参照元:https://news.psu.edu/story/661450/2021/06/16/research/computers-help-researchers-find-materials-turn-solar-power-hydrogen
– ペンシルバニア州立大学 Penn State. June 16, 2021 –

太陽エネルギーを利用して水から水素を安価に採取すれば、炭素系の燃料源に取って代わることができ、世界の二酸化炭素排出量を削減することができます。

しかし、炭素系燃料と経済的に競合できるように、水素生成を促進する材料を見つけることは、今のところ克服できない課題です。

ペンシルバニア州立大学の研究チームは、スーパーコンピューターを使って、光触媒と呼ばれる、水に光を当てたときの水素分離を促進する材料を発見し、安価な水素製造の課題を克服するための一歩を踏み出したと報告しました。

計算科学・データ科学研究所(ICDS)所属で、エネルギー・環境研究所の共同出資教員、材料科学・工学のイスマイラ・ダボ准教授によると、2つの水素原子と1つの酸素原子からなる水から水素を分離するには、電気と太陽エネルギーの両方を利用することができるそうです。

太陽光で発電して水素を製造し、それを電気分解して再び電気に戻すという方法は、技術的にも経済的にもメリットがありません。

太陽エネルギーを直接利用して水から水素を製造する方法(光触媒)では、そのような余分な工程を省くことができますが、研究者たちは、ガソリンのような炭素系燃料と競合する方法で、太陽エネルギーによる直接水素変換を利用することはまだできません。

今回、『Energy and Environmental Science』誌に掲載された研究成果は、ハイスループット材料スクリーニングと呼ばれる一種の計算手法を用いて、7万種類以上の化合物の中から有望な光触媒の候補を6つに絞り込んだもので、水に添加することで太陽電池による水素製造プロセスが可能になるとダボ氏は述べています。

研究チームは、既知および予測される材料のオンライン・オープンアクセス・リポジトリであるMaterials Projectデータベースに掲載されている化合物を調査しました。

そして、水素製造プロセスに適した光触媒となる特性をもつ材料を特定するためのアルゴリズムを開発しました。

例えば、材料が太陽光を吸収するのに最適なエネルギー範囲(バンドギャップ)を調べました。

また、コーネル大学のエクトル・アブルーニャ教授(化学)、ペンシルバニア州立大学のヴェンカトラマン・ゴパラン教授(材料科学・工学)、レイモンド・シャーク教授(化学)との共同研究では、水を効率的に分解できる材料や、化学的安定性の高い材料も検討しました。

共同執筆者である大学院生アシスタントのYihuang Xiong氏は話します。

「私たちが開発した統合的な計算・実験ワークフローは、効率的な光触媒の発見を大幅に加速できると考えています。そうすることで、水素製造のコストを削減できるのではないかと期待しています。」

ダボ氏は、研究チームが酸化物(少なくとも1つの酸素原子からなる化合物)に着目したのは、標準的なプロセスを用いて適度な時間で合成できるからだと付け加えました。

今回の研究では、分野を超えた共同研究が必要でしたが、これは研究チームにとって学びの多い経験となりました。

博士課程の学生で論文の共著者であるNicole Kirchner-Hall氏は話します。

「このような共同プロジェクトに取り組むことができて、とてもやりがいを感じました。計算材料科学を専門とする大学院生として、光触媒材料の可能性を計算で予測し、ペンシルバニア州立大学や他の機関の実験協力者と協力して、計算による予測を検証することができました。」

他の研究者が以前、太陽エネルギーを使った発電のいくつかの選択肢について経済分析を行い、太陽エネルギーによって水素製造の価格を下げてガソリンに対抗できると判断した、とダボ氏は述べます。

ダボ氏は続けます。

「彼らの本質的な結論は、この技術を開発することができれば、ガソリン1ガロン当たり1.60ドルから3.20ドルのコストで水素を製造することができるというものでした。つまり、1ガロン3ドル前後のガソリンと比較すると、この技術が成功すれば、理想的なシナリオでは、1ガロンのガソリンとほぼ同量のエネルギーを1.60ドルという低コストで得ることができるのです。」

さらに、触媒を使って太陽電池による水素製造を促進することができれば、ガソリンと競合する水素価格を実現できる可能性があるという。

研究チームは、ペンシルバニア州立大学ICDSのスーパーコンピュータ「Roar」を使って計算を行いました。

ダボ氏によると、コンピュータは、特定のプロセスで使用する適切な材料を見つけるプロセスを高速化するための重要なツールです。

この計算機を使ったデータ集約型の手法は、試行錯誤を繰り返す従来の方法に比べて、効率性の面で大きな変革をもたらす可能性があります。

ダボ氏は話します。

「トーマス・エジソンが電球の材料を見つけようとしたとき、彼は電球に適した材料を見つけるまで、太陽の下であらゆる材料を調べました。それと同じことを、コンピュータを使って加速させようとしているのです。」

しかし、コンピュータが実験の代わりになるわけではありません。

ダボ氏は続けます。

「コンピューターは、どのような素材が最も有望であるかを提案することはできますが、その後、実験的な研究を行う必要があります。」

ダボ氏は、コンピューターの力によって、最適な候補を見つけるプロセスが効率化され、研究室で材料を設計してニーズに応えるために市場に出すまでの時間が劇的に短縮されると期待しています。

研究者たちは、機械学習アルゴリズムを評価して、太陽電池による水素製造の触媒として合成・使用できる化学物質の提案を行いました。

この予備的な調査に基づき、今後の研究では、化学物質のスクリーニングプロセスを改善するための機械学習モデルの開発に焦点を当てていく可能性を示唆しています。

また、ダボ氏は、酸化物以外の化学物質についても、太陽電池による水素製造の触媒として利用できるかどうかを調べる可能性があると付け加えました。

ダボ氏は話します。

「これまでのところ、私たちはこのプロセスの1サイクルを酸化物(基本的には錆びた金属)で行いましたが、酸素をベースにしない化合物もたくさんあります。例えば、窒素や硫黄をベースにした化合物がありますので、それを調べてみましょう。」

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