葉に見られる化学反応に着想を得て、カリフォルニア工科大学（Caltech）の科学者たちは、電気を通す膜を開発した。この膜は、太陽光を利用して水を分解し、水素燃料を生成する装置の実現に道を開く可能性がある。
シリコンなどの半導体材料に塗布すると、酸化ニッケル膜はさびの形成を防ぎ、メタンや水素などの燃料を太陽光で生成する際に重要な化学反応を促進する。
「燃料の太陽光駆動型生成における重要な反応を、記録的な効率、安定性、有効性で実施できる、新しいタイプの保護膜を開発しました。しかも、本質的に安全で、水素と酸素の爆発性混合物を生じないシステムで実現できます」と、 ネイト・ルイスは語る。ルイスは、カリフォルニア工科大学のジョージ・L・アーギロス教授であり、化学の教授でもある。3月9日の週に学術誌『Proceedings of the National Academy of Sciences』のオンライン版に掲載された、この膜について述べる新たな研究論文の共著者でもある。
この開発は、植物が太陽光、水、二酸化炭素を酸素と、炭水化物（糖）の形の燃料に変換する自然の光合成過程を再現する、安全で効率的な人工光合成システムの実現につながる可能性がある。こうしたシステムは、太陽燃料生成装置、または「人工葉」とも呼ばれる。
ルイスのチームが開発を進めている人工葉は、その一部がカリフォルニア工科大学の 人工光合成共同研究センター（JCAP） で開発されており、主に3つの構成要素から成る。2つの電極、すなわち光アノードと光カソード、そして膜である。光アノードは太陽光を使って水分子を酸化し、酸素ガス、陽子、電子を生成する。一方、光カソードは陽子と電子を再結合させて水素ガスを生成する。通常はプラスチック製の膜が2種類のガスを分離し、爆発の可能性をなくす。また、ガスを加圧状態で回収し、安全にパイプラインへ送り込めるようにする。
科学者たちは、光を吸収し、太陽電池にも使われるシリコンやガリウムヒ素などの一般的な半導体で電極を作ろうとしてきた。しかし大きな問題は、こうした材料が水に触れると酸化物層（つまり、さび）が生じることだ。
ルイスらは電極を保護する膜の作製を試みてきたが、これまでの試みはさまざまな理由で失敗している。「膜には多くの条件が求められます。保護対象の半導体と化学的に適合し、水を通さず、電気を通し、入射光を高い透明度で透過させ、酸素や燃料を生成する反応を強く触媒する必要があります」と、JCAPの科学責任者も務めるルイスは語る。「これらの特性のどれか一つでも備えた保護層を作れれば、大きな前進です。しかし今回発見した材料は、これらすべてを同時に実現できます。」
チームは、酸化ニッケル膜がシリコン、リン化インジウム、テルル化カドミウムなど、さまざまな半導体材料に適合することを示した。光アノードに塗布した場合、この酸化ニッケル膜は、類似する他の膜を大幅に上回る性能を示した。その中には、ルイスの研究グループがわずか前年に作製した膜も含まれる。その膜はより複雑で、1層ではなく2層から成り、主成分には二酸化チタン（TiO2、チタニアとも呼ばれる）を使用していた。これは天然に存在する化合物で、日焼け止め、歯磨き粉、白色塗料の製造にも使われる。
「光アノードが目立った劣化もなく、記録的な性能で24時間、次に100時間、そして500時間稼働するのを見て、科学者たちが以前には成し遂げられなかったことを実現したと確信しました」と、新たな研究の筆頭著者で、ルイス研究室の博士研究員であるケ・サンは語る。
ルイスのチームは、酸素を豊富に含む環境で、アルゴン原子を高速でニッケル原子のペレットに衝突させる酸化ニッケル膜の作製法を開発した。「ペレットから飛び散ったニッケルの微粒子が酸素原子と反応し、酸化したニッケルとなって半導体上に堆積します」とルイスは語る。
重要なのは、チームの酸化ニッケル膜が、光アノードと光カソードを隔て、水素ガスと酸素ガスの生成時期をずらす膜とよく連携して機能することだ。
「膜がなければ、光アノードと光カソードは電気を通すほど近くにあります。さらに、反応性の高い水素ガスと酸素ガスの気泡が同じ場所で同時に発生すれば、災害を招くことになります」とルイスは語る。「私たちの膜を使えば、爆発せず、長持ちし、効率も高い安全な装置を、一度に実現できます。」
ルイスは、太陽光を燃料に変換する商用製品の開発には、まだ長い道のりがあると注意を促す。光カソードなど、システムの他の構成要素も完成度を高める必要がある。
「私たちのチームは光カソードにも取り組んでいます」とルイスは語る。「この2つの要素を組み合わせ、システム全体が機能することを示さなければなりません。それは容易ではありませんが、半世紀にわたってこの分野で見つからなかった重要な構成要素の一つを、今、手にしています。」
ルイスとサンに加え、論文「透明な触媒性酸化ニッケル膜で保護された半導体光アノードによる、安定した太陽光駆動型水酸化」の共著者には、カリフォルニア工科大学の大学院生ファドル・サーディ、マイケル・リヒターマン、シンハオ・ジョウ、ノア・プリマイル、ステファン・オメルチェンコ、サウサンプトン大学のウィリアム・ヘイル、サウジアラビアのキング・アブドラ大学のシンピン・ワンとジュルハウ・ヘ、カリフォルニア工科大学の科学研究マネージャー、キンバリー・パパダントナキス、同大学分子材料研究センター所長のブルース・ブルンシュウィグが含まれる。研究資金は、米国エネルギー省科学局、全米科学財団、ベックマン研究所、ゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団から提供された。
本記事は、 カリフォルニア工科大学（Caltech）との協力により掲載されています。記事の掲載は、世界経済フォーラムがその見解を支持することを意味しません。
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著者：ケル・タンは、カリフォルニア工科大学の寄稿ライターです。
画像：成長する植物のクローズアップ。ロイター。
