南韓科学者が超低コストのニッケルコバルト電極を開発し、グリーン水素の生産効率を向上

南韓の科学者が水と電力からグリーン水素を製造するための新型超低コストコンポーネントを開発した。韓国エネルギー研究院（KIER）は、プラチナを使用しないニッケルコバルト電極を開発し、アルカリ水電解を効果的に行うことができる。この非貴金属のNi/Co異質構造電極は、アルカリ水電解の性能を向上させ、コストを削減した。この進展は、グリーンエネルギーの世界的な拡大における主要な経済的障壁を取り除く可能性を秘めている。KIERの主任研究員である姜京秀博士は、「この研究は、非貴金属電極がアルカリ水電解において世界クラスの性能と耐久性を実現できることを証明した」と述べた。

水素のコストを下げる鍵は、水電解のシンプルさにある。水に電流を流すことで水分子を分裂させ、純水素を捕らえ、ゼロカーボン排出を実現する。しかし実際には、特に大規模なアルカリシステムでは反応速度が遅い。アルカリ条件下では、水分子を分裂させるのにかかる時間は酸性環境の100倍を超える。反応を加速するために、工業用電解槽では通常貴金属が使用される。プラチナの価格は約1グラムあたりUS$58（約HK$452）、ルテニウムの価格は約1グラムあたりUS$54（約HK$421）である。工場の規模を考慮すると、大規模生産は経済的に不可能になる。KIERチームは最終的にプラチナを完全に放棄し、ニッケルとコバルトを使用することに決定した。ニッケルは1グラムあたりUS$0.02（約HK$0）、コバルトはUS$0.05（約HK$0）である。

新型電極の技術的優位性

安価な金属がどのようにプラチナを超えたのか？それはそのスマートな構造に起因する。チームは、酸化ニッケルとニッケルコバルト合金を同じ電極表面に組み合わせた二成分異質構造を作成した。各コンポーネントは反応の異なる段階を処理する。酸化ニッケルは化学触媒として機能し、初期の遅い解離ステップで水分子を迅速に分裂させる。一方、Ni-Co合金は放出された水素イオンを結合させて利用可能な燃料ガスにするために使用される。

性能結果はこの技術の潜在能力を示している。この電極はわずか22.7 mVの過電位で同等の水素生成を実現し、商業用プラチナシステムに必要な56.5 mVの約40%である。研究者は、「開発された電極は約40%の過電位で同等の水素生成を提供し、過去3年に報告された非貴金属アルカリ電極の中でトップクラスの性能を示している」と指摘した。多くの実験室の革新は、変動する太陽光と風力が設備に厳しい運転サイクルをもたらすため、実際の電力網テストで失敗している。KIERは、この新しい電極を設計し、これらの予測不可能な条件に耐えられるようにしている。

8.7センチメートルの単体テストでは、この電極は標準的なニッケル電池に比べて電池電圧を11%低下させた。600回の連続的なオンオフストレスサイクルでも、性能は損なわれなかった。

未来の商業化の可能性

将来的には、この電極が不安定な太陽光発電や風力発電所と共に運用される可能性がある。チームは実験室段階を超えている。共同責任者の李賢俊博士は、チームが直径40センチメートルの大型電極を製造し、商業生産の製造プロセスを精練していることを明らかにした。最終目標は、電極の表面積を5,000平方センチメートルに拡大し、メガワット級の工業施設に直接統合することである。成功裏に拡大できれば、水素の貴金属税の問題を最終的に解決する可能性がある。この研究結果は『Advanced Science』誌に発表された。

プラチナフリー電極が水素生産に与える影響

この新型プラチナフリーのニッケルコバルト電極の開発は、水素生産技術における重要なブレークスルーを示している。従来、水素の生産は高価な貴金属触媒に依存しており、経済的な実現可能性を制限していた。より安価な金属を使用することで、この技術は生産コストを削減するだけでなく、水素の生成量と効率を向上させた。再生可能エネルギーの普及に伴い、この新電極の応用可能性は非常に大きく、グリーン水素の広範な利用を促進し、さらなる世界的なエネルギー転換を推進することが期待される。