シカゴのアルゴンヌの科学者が低気圧を作成

2023 年 6 月 13 日

クリーンエネルギーの豊富な供給が目に見えるところに潜んでいます。 水素は水だけを排出しながら車両に動力を供給できます。 また、多くの工業プロセス、特に製鉄やアンモニアの生産において重要な化学物質でもあります。

気候変動と闘う取り組みの一環として、科学者たちは化石燃料に代わる低コストの水素製造方法を模索している。 本当にクリーンになるためには、このプロセスを再生可能エネルギーを使用して行う必要があります。

シカゴ大学付属の米国エネルギー省研究所であるアルゴンヌ国立研究所が率いる多機関チームは、水からきれいな水素を生成するプロセス用の低コスト触媒を開発した。

「我々の結果は、高価な貴金属から作られた触媒を、はるかに安価でより豊富な元素で置き換えるという有望な道筋を確立するものである」と研究著者であり、アルゴンヌ大学の上級化学者でプリツカー学派と兼任しているディ・ジア・リュー氏は述べた。シカゴ大学で分子工学の博士号を取得。

水を水素と酸素に分解するプロセスは電気分解と呼ばれ、1 世紀以上前から存在しています。

以前は、このプロセスの技術は多量のエネルギーを消費していました。 しかし、プロトン交換膜電解槽として知られるこのプロセスの新世代技術は、室温近くでより高い効率で稼働できるようになりました。 エネルギー需要が削減されるため、太陽光や風力などの再生可能だが断続的な資源を使用してクリーンな水素を製造するのに理想的な選択肢となります。

しかし、コストが依然として問題でした。 そのプロセスの触媒の 1 つはイリジウムを使用しており、現在の市場価格は 1 オンスあたり約 5,000 ドルです。 イリジウムの供給不足と高コストが、PEM 電解槽の普及にとって大きな障壁となっています。

研究チームは、イリジウムよりも大幅に安価なコバルトを主成分とする新しい触媒を開発することができた。

「私たちの方法で調製したコバルトベースの触媒を使用することで、電解槽でクリーンな水素を製造するためのコストの主なボトルネックを取り除くことができます」とLiu氏は述べた。

電解槽と燃料電池の商品化に向けて取り組んでいる大手研究開発会社である Giner Inc. は、工業用操作条件下で PEM 電解槽テスト ステーションを使用して新しい触媒を評価しました。 他社触媒をはるかに上回る性能と耐久性を実現しました。

このチームの成果は、1960年代の米国宇宙計画の「ムーンショット」を模倣したエネルギー省の水素エネルギー・アースショット計画における一歩前進となる。 その野心的な目標は、グリーン水素の製造コストを 10 年以内に 1 キログラムあたり 1 ドルに下げることです。 そのコストをかけてグリーン水素を生産すれば、国の経済を再構築する可能性がある。

アプリケーションには、電力網、製造、輸送、住宅および商業用暖房が含まれます。

動作条件下での反応機構を原子スケールで理解することで、科学者はその性能を向上させることができます。

「私たちは、準備のさまざまな段階で新しい触媒の表面の原子構造を画像化しました」とアルゴンヌの材料科学者、Jianguo Wen 氏は述べています。

研究チームは、アルゴンヌにある先進光子源での X 線分析を使用して、動作条件下で触媒内で発生する重大な構造変化を解読しました。 彼らはまた、サンディア研究所とアルゴンヌのナノスケール材料センターで電子顕微鏡を使用して、重要な触媒の特徴を特定しました。

Advanced Photon Source と Center for Nanoscale Materials はどちらも DOE Science Office のユーザー施設です。 さらに、バークレー研究所の計算モデリングにより、反応条件下での触媒の耐久性に関する重要な洞察が明らかになりました。

引用: 「プロトン交換膜電解用の La および Mn ドープ コバルト スピネル酸素発生触媒」 Chong et al、Science、2023 年 5 月 12 日。資金提供: 米国エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局、アルゴンヌ研究所主導の研究開発。