水素製造のための水の太陽光分解におけるブレークスルー

「カーボン ピーキング」および「カーボン ニュートラル」戦略の導入により、炭素排出量が削減され、水素はクリーンな燃料として魅力的な選択肢となっています。 一方、水素は、肥料の製造など、多くの化学プロセスにも必要です。 しかし、水素は現在、主に水とガスの変換によって得られます。このプロセスは、大量の炭素排出を生成するだけでなく、大量の熱エネルギーを消費します。

自然光合成（植物が太陽光を利用して水から水素原子を得る）はよく知られていますが、水素を得る「人工光合成」技術はありますか？ 全加水分解による光触媒水素製造は、太陽光と水のみを消費し、二酸化炭素を排出しない環境に優しく持続可能な技術として、現在注目されています。 ただし、現在の光触媒 THM の低い太陽光から水素 (STH) への変換効率は、それらの実用的なアプリケーションを制限します。

これを念頭に置いて、ミシガン大学の米沢教授のチームは、純粋な水、集中した太陽光、および自然の光合成の重要なステップを模倣する窒化インジウムガリウム光触媒を使用して、最大 9.2% の STH 効率を達成する戦略を開発しました。 屋外での実験では、これが技術の大きな飛躍を表し、同等の太陽水分解実験よりもほぼ 10 倍効率的であることが示されています。 具体的には、研究者は、InGaN/GaN 表面での光触媒による全水分解が、順方向の水分解反応を促進するだけでなく、強力な集束太陽光によって生成される赤外線熱効果によって逆の水素-酸素錯体形成反応を阻害することを実証しました。非常に高い光触媒全水分解効率を示す InGaN ナノワイヤ。 この研究成果は、Nature の最新号に、「光触媒水分解における太陽から水素への変換効率が 9% 以上」というタイトルで掲載されました。

研究者らは、純水、集中した太陽光、および窒化インジウムガリウム光触媒を使用して、9.2% という高い STH 効率を達成しました。 この論文の戦略の成功は、前方の水素 - 酸素の進化を促進し、逆の水素 - 酸素の再結合を阻害することの相乗効果に由来します。太陽光からの赤外線を無駄にします。 さらに、この温度依存戦略により、広く利用可能な水道水と海水からの STH 効率は ~7% になり、25 7 W の自然太陽光容量を持つ大規模な光触媒水分離システムでは 6.2% になりました。 この研究は、太陽光水素製造の効率のボトルネックを克服し、自然の太陽光と水から水素燃料を効率的に製造するための実用的なアプローチを提供します。