南洋理工大学が太陽エネルギー装置を開発、海水から水素を製造し有毒廃棄物を分解

シンガポールの南洋理工大学（Nanyang Technological University）の研究者らは、海水から水素を生成しつつ、工業汚染物質である高毒性のヒドラジンを分解する太陽エネルギー装置を開発した。研究チームは、廃水処理とクリーン燃料製造を組み合わせた二用途のアプローチであると説明している。この装置は、葉が太陽光を捉える仕組みに着想を得て、太陽エネルギーから化学反応に必要な電力を生成するため、外部電源を必要としない。

水素は通常、電気分解によって製造される。この過程では、電力によって水分子が水素と酸素に分解される。電子が陰極（負極）に到達し、そこで水素の生成を助ける。海水を使用すれば、淡水や塩分除去のための追加処理が不要となるため、この過程をより持続可能なものにできる。しかし、海水に含まれる塩化物イオンが電気分解を妨害する可能性があり、腐食性や毒性を有する塩素化合物が生成されて電極を損傷する恐れもある。南洋理工大学材料科学・工学科のリーア・ファン（Lee Lai Yau）教授率いるチームは、陽極での反応を変更することでこれらの問題に対処した。

装置の動作原理

陽極の触媒は鉄、コバルト、クロムで構成され、ヒドラジンを水素と窒素に分解できる。この反応は従来の水の電気分解で酸素を生成する際に必要なエネルギーよりも低いエネルギーを要する。そのため、このシステムはより少ないエネルギー消費量で水素を製造できる。陽極は追加の水素を生成すると同時に、水中のヒドラジンを除去する。

研究者らは、太陽光を吸収して電気に変換できる半導体材料である鉛ハロゲン化物系のペロブスカイトを用いて陰極を構築した。銀と銅の粒子を含む導電性エポキシ樹脂とチタン箔を使用し、陰極の劣化を防いだ。模擬海水と実際の海水を用いた試験では、照射時に装置が安定した電流を生成することが示された。光電流密度は25 mA cm⁻²に達した。これは照射された電極面積あたりの発電量を測定する指標である。このシステムは、地球表面での晴天時の日光に相当する照射下で72時間以上連続稼働し、水素を466 μmol cm⁻² h⁻¹の速度で生成した。研究者らは、この生成量は他の太陽エネルギーシステムに匹敵すると述べている。

環境技術における大きな進展

この装置はまた、廃水処理能力も示した。汚染物質を事前に分離する必要なく、水中で直接ヒドラジンを分解する。30時間以内に、システムはヒドラジン濃度を0.5 M（重量比で約1.6%）から0.5 ppbまで低下させた。この最終濃度は、米国環境保護庁（EPA）が許可する10 ppbの上限を20倍以上下回る。「この二機能装置は環境技術における大きな進展を示すものです。有毒な工業汚染物質を分解するために太陽エネルギーを効率的に捕集し、同時にクリーン燃料を回収することで、エネルギー問題と汚染問題の両方に対処しています」と、ファン教授はプレスリリースで述べた。

「このブレークスルーは、太陽エネルギーによる水素製造だけでなく、多機能な光電気化学システムに向けた実用的な道を提示している点にあります。経済的価値と環境影響を並行して考慮する必要がある太陽燃料技術の将来的な展開において、こうした二用途のアプローチはますます重要になるでしょう」と、研究には関与していないオックスフォード大学化学科光化学・持続可能エネルギー教授のジェームズ・デュラント（James Durant）氏は補足した。

研究チームは現在、他の汚染物質にも対応できる触媒の開発や、廃棄物を燃料や工業用化学品などの有用な製品へと変換する取り組みを進めている。この研究は『Nature Communications』誌に発表された。

多機能光電気化学システムの可能性

この研究の意義は、水素製造と廃水処理を革新的に組み合わせた点にあり、持続可能な技術の可能性を示している。クリーンエネルギー需要が世界的に高まるなか、こうした二用途システムはエネルギー問題に効果的に対処しつつ環境汚染も処理でき、現在の持続可能な開発の流れに合致する。さらに、研究チームによる触媒の継続的な開発により、その応用範囲は一層拡大し、将来の環境技術に広範な影響を及ぼす可能性がある。