水素生成効率を最大化する二酸化チタン保護膜の酸素欠陥の役割を解明

2023 年 5 月 29 日

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水素はクリーンで効率の良いエネルギー源として注目を集めています。 しかし、水素は本当に環境に優しいのでしょうか？ 現在一般的に使用されている水素のほとんどは化石燃料由来の灰色の水素です。 グレー水素は製造過程で温室効果ガスの発生を伴うため、厳密な意味では環境に優しい水素ではないと言えます。 二酸化炭素を排出しないグリーン水素の時代はまだ始まっていません。

韓国標準科学研究院（KRISS）は、太陽エネルギーを利用した水の分解によって水素を生成するために使用される保護膜付き光陽極の寿命と効率の鍵を実証した。 これにより、環境に優しいグリーン水素時代の到来が期待されます。

グリーン水素は、再生可能エネルギー源を使用して炭素を排出せずに生成されます。 グリーン水素を生成する代表的な方法は、電解質に直接浸漬され太陽光を吸収できる光アノードを使用した光電気化学的な水の分解です。 その結果、光陽極は吸収された太陽エネルギーを利用して、接触した水を水素と酸素に直接分解します。 ただし、光アノードは電解質と直​​接接触しているため、表面が腐食しやすいです。 表面保護コーティングは、表面の腐食を防ぐために表面に堆積されました。

通常、二酸化チタン (TiO2) などの酸化物材料が光陽極の保護膜として使用されます。 酸化物材料は電気の伝導性に劣りますが、電荷輸送のチャネルとして機能する酸素欠陥が形成されると、その伝導度が調整される可能性があります。 光陽極の寿命を延ばす鍵は、電極の腐食を防ぐのに十分な耐久性があり、最適な導電性を維持できる保護膜を開発することです。

KRISSは、水素生成効率を最大化するために、光アノードの二酸化チタン（TiO2）保護膜の酸素欠陥レベルを系統的に調節する世界初の技術を開発した。 電荷移動メカニズムにおける酸素欠陥の役割を調査するために、研究チームは、X線光電子分光法と電気化学分析を使用して、光アノードの寿命と水素生成を最大化する最適な欠陥レベルを決定しました。

本研究では、製造工程中に保護膜に自然発生する酸素欠陥を利用したこれまでの研究とは異なり、酸素欠陥のレベルを制御し、大量生産を可能にする直接製造法を提案します。

実験結果によると、保護膜のない光アノードは1時間以内に寿命が急激に劣化し、初期状態に比べて水素生成効率が20％を下回った。 一方、保護膜を最適化した光アノードは100時間後でも85％以上の水素生成効率を維持した。

この成果は、光陽極の効率と寿命を向上させる可能性があり、光陽極に依存する他のクリーン技術にも応用できます。 二酸化炭素を捕捉し、太陽エネルギーを利用して化学エネルギー源に変換する人工光合成技術はその一例です。

KRISS学際材料測定研究所の主任研究員であるアンスーン・キム博士は、「このアプローチは光陽極の寿命を約10倍改善でき、グリーン水素の商業化に大きく貢献できる」と述べた。

KRISS は、酸素欠陥の最適レベルと光アノードの寿命を最大化する基本的な原理を明らかにするために、さらなる研究を実施する予定です。

この研究は、Journal of Materials Chemistry A に掲載されています。

詳しくは： Songwoung Hon 他、効率的な光電気化学的水分解のための n-Si 光アノードの TiOx 保護層の欠陥密度の役割、Journal of Materials Chemistry A (2023)。 DOI: 10.1039/D2TA07082K