太陽光や風力などの再生可能エネルギーの生成と貯蔵は、クリーンエネルギー経済の実現に向けた重要な障壁である。2010年、 Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP)がCaltechおよびその提携機関に設立された際、米国エネルギー省（DOE）のエネルギー・イノベーション・ハブは、一つの主要な目標を掲げていた。すなわち、植物の光合成という自然の過程を模倣し、太陽光、水、二酸化炭素のみを用いて燃料を費用対効果高く製造するとともに、そのエネルギーを化学燃料の形で貯蔵し、必要なときに利用できるようにする方法の確立である。過去5年間にわたり、JCAPの研究者たちはこの目標に向けて大きな進展を遂げ、現在、水を分解して水素燃料を生成するための、初の完全で効率的、安全かつ統合された太陽光駆動システムの開発を報告している。
「今回の成果は、JCAPが5年間にわたって掲げてきた目標の節目となるプロジェクトでした。この目標を達成しただけでなく、予定どおり、かつ予算内で達成したのです」と、Caltechの Nate Lewis氏は語っている。同氏はGeorge L. Argyros教授兼化学教授であり、JCAP科学ディレクターでもある。
この新たな太陽光燃料製造システム、すなわち人工葉は、8月27日付のオンライン版の学術誌「 Energy and Environmental Science」に掲載されている。本研究は、Lewis氏と Harry Atwater氏の研究室の研究者によって行われた。Atwater氏はJCAPのディレクターであり、Howard Hughes応用物理学・材料科学教授でもある。
「この成果は、JCAPの知見、洞察、能力を基にしたものであり、統合されたチームによるハブ規模の取り組みで何が達成可能かを示している」とAtwater氏は語る。「ここで報告されたデバイスは、統合型太陽光燃料発生装置に必要な設計および材料の構成要素を定義するための、複数年にわたる大規模な取り組みから生まれたものである。」
稼働中の太陽光燃料プロトタイプ
水素燃料の製造のために、外部の補助なしで太陽光による水分解を行う、完全に統合された光電気化学デバイス。クレジット：Erik Verlage、Chengxiang Xiang/Caltech
新システムは、三つの主要な構成要素からなる。すなわち、一つの光アノードと一つの光カソードという二つの電極と、膜である。光アノードは太陽光を利用して水分子を酸化し、プロトンと電子、そして酸素ガスを生成する。光カソードはプロトンと電子を再結合させ、水素ガスを生成する。JCAP設計の重要な要素は、酸素ガスと水素ガスを分離しておくプラスチック製の膜である。二つのガスが混ざり、偶発的に点火された場合には爆発が起こりうるが、膜によって水素燃料を加圧下で個別に回収し、パイプラインへ安全に送り出すことができる。
シリコンやガリウムヒ素などの半導体は光を効率的に吸収するため、太陽光パネルに使用されている。しかし、これらの材料は水にさらされると表面が酸化（錆びる）するため、燃料を直接生成するためには使えない。統合システムの開発を可能にした大きな進展は、 以前の研究 であり、Lewis氏の研究室で行われたこの研究は、電極上にナノメートルの厚さの二酸化チタン（TiO2）層（白い塗料や多くの歯磨き粉、日焼け止めに見られる材料）を加えることで、光と電子を通過させつつ腐食を防げることを示した。Lewis氏らが開発した新たな完全な太陽光燃料製造システムは、このような厚さ62.5ナノメートルのTiO2層を用いて腐食を効果的に防ぎ、ガリウムヒ素ベースの光電極の安定性を高めている。
もう一つの重要な進展は、燃料製造に活性が高く安価な触媒を用いたことである。光アノードは、不可欠な水分解反応を駆動するために触媒を必要とする。白金などの希少で高価な金属も有効な触媒になりうるが、研究チームは、TiO2の表面に厚さ2ナノメートルのニッケル層を加えることで、はるかに安価で活性の高い触媒を作れることを発見した。この触媒は、水分子を酸素、プロトン、電子に分解する既知の触媒の中でも最も活性の高いものの一つであり、本デバイスが示す高い効率の鍵となっている。
光アノードは、高活性で安価なニッケル-モリブデン触媒も含む光カソード上に成長させられ、完全に統合された単一の材料となり、太陽光駆動の完全な水分解システムとして機能している。
新システムの効率と安全性に寄与する重要な構成要素は、ガスを分離して爆発の可能性を防ぐ特殊なプラスチック膜であり、同時に、セル内の電気回路を完結させるためにイオンが円滑に流れることを可能にする。すべての構成要素は同一条件下で安定しており、高性能な完全統合システムを実現するために協調して機能する。実証システムの面積は約1平方センチメートルで、太陽光のエネルギーの10パーセントを化学燃料の貯蔵エネルギーに変換し、40時間以上連続して稼働することができる。
「この新システムは、人工葉技術における安全性、性能、安定性の記録をすべて合わせて、5倍から10倍以上も上回りました」とLewis氏は語る。
「本研究は、安価な部品を用いた統合システムにより、太陽光から燃料を安全かつ効率的に製造することが実際に可能であることを示している」とLewis氏は付け加える。「もちろん、システムの寿命を延ばすことや、完全なシステムを費用対効果高く製造する方法を開発することなど、まだやるべきことは残っており、どちらも現在進行中である。」
この研究では、JCAPの複数のチームが開発した様々な構成要素を組み合わせたため、JCAPの試作・規模拡大プロジェクトの共同リーダーであり共著者でもあるChengxiang Xiang氏は、この成功した成果は協働の成果であると述べている。「デバイス設計、シミュレーション、材料探索および統合におけるJCAPの研究開発のすべてが、この新デバイスの実証へとつながった」とXiang氏は語る。
これらの成果は、次の論文に掲載されている。論文のタイトルは 「活性で安定した、地球上に豊富に存在する電気触媒と、アモルファスTiO2膜で保護されたタンデム型III-V族光吸収体を組み合わせた、モノリシック統合型・本質的に安全な10%効率の太陽光駆動水分解システム」 である。Lewis氏、Atwater氏、Xiang氏に加え、Caltechの他の共著者には、大学院生のErik Verlage氏、博士研究員のShu Hu氏とKe Sun氏、材料加工・統合研究エンジニアのRui Liu氏、JCAP機械エンジニアのRyan Jones氏が含まれる。資金は、米国エネルギー省科学局およびGordon and Betty Moore Foundationから提供された。
本記事は Caltechとの協力により掲載されたものです。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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執筆者：Jessica Stoller-Conradは、食品、健康、科学分野の報道を専門とするフリーランスのライターです。
画像：電力公社の従業員が架空送電線で作業をしている様子。REUTERS/Jitendra Prakash
