世界のエネルギー消費は、憂慮すべき速さで増加しています。主な原因は3つあります。急速な経済拡大、人口増加、そして世界各地でのエネルギーを消費する機器への依存の高まりです。
増加するエネルギー需要と従来型燃料の環境への影響は、人々の健康、エネルギー安全保障、環境保護に深刻な課題をもたらしています。2050年までに世界のエネルギー供給を 2倍にする必要がある と推計されており、この課題に対応するため、新たな種類のエネルギーを開発することが極めて重要です。
燃料電池では通常、高価な白金電極が使われますが、非金属の代替品はエネルギー安全保障のための手頃な解決策となる可能性があります。燃料電池は燃料を酸化して水にすることで発電し、クリーンで持続可能な電力を供給します。
水素を燃料として使用できます。まず、水素を構成する電子と陽子に分離します。次に、電子の流れによって電力が生み出され、その後、電子と陽子が還元された酸素と結合し、副生成物として水だけが生じます。
この技術はエネルギー変換効率が高く、汚染をほとんど生じず、大規模利用の可能性を秘めています。しかし、燃料電池で還元酸素を生成する重要な反応には触媒が必要で、従来は白金電極が用いられてきました。残念ながら、この貴金属触媒は高価で資源も限られているため、燃料電池の大量普及を妨げる主な障壁となっています。
白金を用いた燃料電池が1960年代に アポロ月探査計画向けに開発されて以来 、研究者たちは白金とより安価な金属を含む合金から触媒を開発してきました。こうした合金触媒は白金含有量が少ないものの、商業規模で大量生産するには、依然として多量の白金が必要です。燃料電池を大規模に利用できるエネルギーの選択肢にするには、効率的で低コスト、かつ安定した別の電極が必要です。
私たちは 以前、 窒素を添加したカーボンナノチューブを基盤とする、低コストの新しい金属フリー触媒群を発見しました。この触媒は、基本的な燃料電池において白金を上回る性能を示しました。触媒性能の向上は、酸素還元反応を促進する窒素原子の電子受容能力によるものと考えられます。これらの炭素系金属フリー触媒は、燃料電池技術の商用化コストを大幅に削減する可能性があります。しかし、主流の燃料電池で一般的な酸性条件では、効果が低いことがしばしば分かっています。
表面積を増やす多孔質構造の炭素複合材料と、導電性を高めるナノチューブを用いた 私たちの最新の研究 では、開発したナノ材料が、最先端の非貴金属触媒と同等の効率で酸素還元を触媒し、さらにより長い安定性を示すことが実証されました。炭素系金属フリー触媒を酸性燃料電池に用いるこの初の成功により、手頃な価格で耐久性の高い燃料電池の商用化が進む可能性があります。
燃料電池に加え、こうした新しい金属フリー炭素ナノ材料触媒は、低コスト太陽電池、エネルギー貯蔵用スーパーキャパシタ、水から燃料を生成する水分解システムでも効率的な電極となります。したがって、炭素系金属フリー触媒が広く使われるようになれば、燃料効率の向上、有害排出物の削減、石油資源への依存低下につながります。これは近い将来の暮らしに大きな影響を及ぼす可能性があります。
この記事は、 The Conversationとの協力により公開されています。 元の記事を読む。
本記事の公開は、世界経済フォーラムが見解を支持していることを意味するものではありません。
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著者：Liming Daiは、ケース・ウェスタン・リザーブ大学の炭素先端科学・工学センター（Case4Carbon）所長です。
画像：ローマの北90 km（60マイル）にあるピアンザーノ村近くの風力タービン。REUTERS/Max Rossi
