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November 12, 2012, Rochester--ロチェスタ大学の研究チームは、ナノクリスタル(超微細結晶)によって水素製造を経済的かつロバストにできることを発見した。
研究グループは、現在の光を使う水素製造システムのコストを下げ、産出量を増やすことができる、としている。太陽光を使うことで、自動車やその他の電気を必要とするものにクリーンでカーボンフリーのエネルギーを十分に供給することができるエルギー科学の「究極の目標」にこの成果は繋がっているという。
現在の水素製法の問題点の1つは、光吸収材料に持続性がないことであるが、ロチェスタの研究チームはナノクリスタルを取り込むことでこの問題を克服することができた。「有機分子は、光を取り込むために光触媒系で一般に使用される。問題は、それの持続時間がわずか数時間、よくて1日しかないことだ。このナノクリスタルは、なんの劣化もなしに、少なくとも2週間は持続した」とTodd Krauss氏は説明している。同氏は20年以上、ナノクリスタル分野の研究を続けている。この研究成果は、Krauss教授、Patrick Holland教授と共同で、大学院生Zhiji Han, Fen Qiuによるもの。
水素はグリーンハウス効果を出さず、容易に電気エネルギーに変換できるので魅力的な将来のエネルギー源と見なされている。
「一般的に、プラチナや、その他高価な金属を触媒に使って来たが、簡単に入手でき、安価で、毒性が低い金属が使えるなら、それに越したことはない。ニッケルのような金属がそれに含まれる」とHolland氏は言う。
研究チームは、プラチナ触媒をニッケルベースの触媒で置き換えた。Holland氏は、「まだ基礎研究の段階であるので他のエネルギー製造システムとの比較はできないが」としながら「現在市販のニッケルは1ポンドあたり8ドル、それに対してプラチナは1ポンドあたり24,000ドルだ」と話している。
研究チームによると、この研究成果の商用利用は数年先になる。また、Holland氏は、「薬品や肥料など、大量の水素を必要とする産業にとっては有益だ」とコメントしている。
Holland, Eisenberg, Kraussが開発したプロセスは、他の光触媒系と同じ。発色基(光吸収材)、フォトンと電子を結合させる触媒、溶液(ここでは水)が必要になる。ナノクリスタルの専門家、Krauss氏は、カドミウムセレン(CdSe)量子ドット(ナノクリスタル)を触媒とした。Holland氏の専門は触媒とニッケル研究であり、同士はニッケル触媒(硝酸ニッケル)を利用。これらのナノクリスタルは、溶けやすくするためにDHLA(ジヒドロリボ酸)で覆う。電子供与体としてアスコルビン酸を水に加えた。
光源からのフォトンがナノクリスタルの電子を励起し、ニッケル触媒に転送。2個の電子があると、電子は触媒で水からの陽子と結合し、水素分子(H2)を形成する。
この系は非常に強固であり、2週間後に電子源が取り除かれるまで水素の生産を続けた。「恐らく、もっと長く続いたであろうが、忍耐がつきた」とHolland氏は言っている。
次の段では研究チームは、ナノクリスタルの性質に注目する。Eisenberg氏は、「ナノクリスタルの中にはM&Msのようなものがあり、コアがあってその周りに殻がある。われわれのものはコアだけだ。もし殻に包まれていたら、一段とパフォーマンス向上となるかの検討が必要だ」と話している。
(詳細は、www.rochester.edu)