海水から水素燃料を生成する新しい方法

水を水素と酸素に分解することは化石燃料の代替手段となりますが、精製水は貴重な資源です。 スタンフォード主導のチームは、地球上で最も豊富な供給源である海水を化学エネルギーとして利用する方法を開発した。

スタンフォード大学の研究者らは、太陽光発電、電極、サンフランシスコ湾の海水を利用して水素燃料を生成する方法を考案した。

スタンフォード大学の戴宏傑氏と彼の研究室は、海水から水素燃料を生成できるプロトタイプを開発した。 (画像クレジット: H. Dai、Yun Kuang、Michael Kenney 提供)

米国科学アカデミー紀要に3月18日に掲載されたこの研究結果は、電気を利用して海水から水素と酸素ガスを分離する新しい方法を実証している。 既存の水を分解する方法は、貴重な資源であり、生産コストがかかる高度に精製された水に依存しています。

理論的には、都市や自動車に電力を供給するには、「精製水を使用することは考えられないほど大量の水素が必要です」と、スタンフォード大学人文科学部化学教授であり、この論文の共同上級著者でもあるホンジエ・ダイ氏、J・G・ジャクソン氏、C・J・ウッド氏は語る。紙。 「カリフォルニアでは、現在のニーズを満たすのに十分な水がほとんどありません。」

ダイ氏によると、水素は二酸化炭素を排出しないため、燃料として魅力的な選択肢だという。 水素を燃やしても水だけが生成されるため、悪化する気候変動問題は緩和されるはずだ。

ダイ氏の研究室はデモで概念実証を示したが、研究者らは設計の規模拡大と量産化はメーカーに任せると述べた。

概念としては、電気を使って水を水素と酸素に分解する (電気分解と呼ばれる) という単純かつ古いアイデアです。水中に置かれた 2 つの電極に電源が接続されています。 電源がオンになると、陰極と呼ばれる負極から水素ガスが泡立ち、陽極である正極から呼吸可能な酸素が発生します。

しかし、海水塩中のマイナスに帯電した塩化物はプラス端を腐食し、システムの寿命を制限する可能性があります。 ダイ氏と彼のチームは、これらの海水成分が水没した陽極を分解するのを防ぐ方法を見つけたいと考えていました。

研究者らは、負電荷が豊富な層でアノードをコーティングすると、その層が塩化物をはじき、下にある金属の崩壊を遅らせることを発見しました。

彼らは、ニッケルフォームコアを覆う硫化ニッケルの上に水酸化ニッケル鉄を積層しました。 発泡ニッケルは導体として機能し、電源から電気を運び、水酸化ニッケル鉄が電気分解を引き起こし、水を酸素と水素に分離します。 電気分解中、硫化ニッケルは負に帯電した層に変化し、アノードを保護します。 2 つの磁石のマイナス端が互いに押し付けられるのと同じように、マイナスに帯電した層は塩化物を反発し、塩化物がコア金属に到達するのを防ぎます。

ダイ研究室の大学院生で論文の共同筆頭著者であるマイケル・ケニー氏によると、負に帯電したコーティングがなければ、アノードは海水中で約12時間しか機能しないという。 「電極全体がばらばらになって崩れ落ちてしまいます」とケニー氏は語った。 「しかし、この層を使用すると、1,000 時間以上使用できます。」

水素燃料のために海水を分割しようとするこれまでの研究では、より高い電流で腐食が発生するため、少量の電流を流していました。 しかし、ダイ氏とケニー氏らは、多層デバイスを介して最大 10 倍の電気を流すことができ、海水からより高速に水素を生成することができました。

「海水を分断する流れについての記録を樹立したと思います」とダイ氏は語った。

チームメンバーは、システムに入る電力量を調整できる、制御された実験室条件でほとんどのテストを実施しました。 しかし、彼らはまた、サンフランシスコ湾から集めた海水から水素と酸素ガスを生成する、太陽光発電のデモンストレーションマシンも設計しました。

また、この装置は塩による腐食のリスクがなく、精製水を使用する現在の技術に適合しました。 「この研究で印象的だったのは、今日の産業界で使用されている電流と同じ電流で動作できたことです」と Kenney 氏は言います。