中国研究チームが太陽光水素変換10.36％達成長期安定で量産に道 - NewsTomo

中国の研究チームが、太陽光で水から水素をつくる「光電気化学水分解」で変換効率10.36％を達成し、1カ月以上安定して動作させることに成功しました。大規模なグリーン水素生産への道を開く成果として、クリーンエネルギー分野で注目されています。

土曜日付の中国の科学技術紙 Science and Technology Daily の報道によると、この成果は中国科学技術大学と武漢大学の研究チームによるもので、学術誌 Nature Communications に最近掲載された論文で詳しく報告されています。

何が「10.36％」なのか

研究チームは、シリコン基板の上に窒化ガリウム（GaN）ナノワイヤを組み合わせた新しい「光電極」構造を設計し、半電池（ハーフセル）構成で太陽光水素生産効率10.36％を記録しました。

この光電極は、高い電流密度で800時間を超えて安定した水素生成を続け、装置の寿命を従来の「数時間」レベルから「数カ月」レベルへと大きく延ばしたとされています。従来の光電気化学水分解装置が抱えていた「効率は高いがすぐに劣化する」という課題に、一つの解決策を示した形です。

光電気化学水分解は、太陽光と水から直接「グリーン水素」をつくる技術です。太陽電池で発電した電気を別の電解装置に送る方式とは異なり、光を吸収する半導体と触媒を一体化し、光が当たるとその場で水を分解して水素を生成します。

クリーンエネルギー分野では重要な研究テーマとなっていますが、従来の光電極材料は腐食しやすく、触媒の活性も次第に低下するという弱点がありました。そのため、高効率と長寿命の両立が大きな課題となっていました。

今回の研究では、シリコンベースの窒化ガリウム（GaN）ナノワイヤ構造が採用されました。シリコンと窒化ガリウムナノワイヤを組み合わせることで、太陽光を効率よく吸収しつつ、光電極自体の安定性も高める設計になっているとされています。

この新構造により、長時間の運転でも性能が大きく落ちにくくなり、数カ月スケールでの安定した水素生成が可能になったと報告されています。

研究チームはさらに、この新しい光電極構造に金ナノ粒子を「助触媒（コカタリスト）」として載せました。これにより、水素発生反応（HER）の触媒活性が高まり、水素生成の効率が向上します。

論文によると、この設計は反応中に金ナノ粒子が電極から剥がれ落ちることを防ぎ、触媒活性の低下も抑えます。その結果、装置全体として安定した水素生成を長期間維持できるようになりました。

今回開発された光電極構造は「量産に適した構造」とされており、他の化合物半導体やさまざまな触媒反応系にも応用可能だと報告されています。これは、単一の実験的デバイスにとどまらず、技術プラットフォームとして広く展開できる可能性を示します。

研究チームは、この技術がエネルギー変換分野で重要な役割を果たし、世界的なエネルギー転換と持続可能な発展を支えることが期待されるとしています。グローバルな視点で見ても、太陽光と水だけを原料とするグリーン水素生産の高効率化は、脱炭素化の鍵となるテーマです。

今回の国際ニュースで押さえておきたいポイントを、簡潔にまとめます。

今回の成果は、光電気化学水分解の「効率」と「耐久性」という二つの難題に同時に迫るものです。一方で、今後は以下のような点が議論の焦点になりそうです。

クリーンエネルギーや水素社会の議論に関心のある読者は、このような研究の進展を追いながら、「どの技術をどのような組み合わせで使っていくのか」という視点でニュースを読み解いていくことが重要になりそうです。

Reference(s):
Chinese researchers set record in solar hydrogen efficiency
cgtn.com