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November 15, 2012, Lausanne--École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)の研究チームは、錆(酸化鉄)と水を使って太陽光から極めて経済的に水素を発生させ、再生可能エネルギーの蓄積に経済的でエコロジカルなソリューションを開発した。
EPFLの研究チームは、光エネルギーをクリーンな燃料、ニュートラルなカーボンフットプリント、水素に変換できる技術を開発している。この方法の基本的構成要素は水と酸化鉄のような金属酸化物、つまり錆。Kevin Sivula氏の研究チームは、意図的に安価な材料、容易に拡張できる製造工程に制限して、経済的に有望な太陽水素製造方法を実現しようとしている。デバイスは、まだ実験段階であるが、Nature Photonicsに発表された。
太陽エネルギーを水素に変換するというアイデアは新しいものではない。研究者たちは、40年以上前からこれに取り組んでいる。1990年代、EPFLは、Michaël Grätzelの研究開発に参加。ジュネーブ大学の研究チームと協働で、同氏は光電気化学(PEC)タンデム太陽電池と水から直接水素を製造する技術を発明した。研究チームのプロトタイプは、同じ基本原理、色素増感太陽電池(これもMichaël Grätzelの発明)を共有しており、酸化物系半導体と組み合わせている。デバイスは完全自己完結型である。生成した電子を利用して水分子を分解し、酸素と水素を得る。同じ液体で、デバイスの2つの異なる層が、光誘起で電子を生成する。酸素発生反応をする酸化物半導体と、色素増感電池、これが水素を発生させる。
最新のプロトタイプは、PEC技術によって、難題であるコストに解を与えることにフォーカスしていた。「米国チームは優れた効率性、12.4％を達成することができた。同システムは、理論的見地からは極めて興味深いものであるが、その方法は、10平方センチあたり10000ドルの製造コストがかかる」とSivula氏は指摘する。
したがって、Sivula氏の研究チームは最初から、市販の材料と入手可能な技術を使用することに限定した。これは容易ではないが、なんとか可能になったと言う。「われわれのデバイスで最も高価な材料はガラス板である」とSivula氏は説明。効率は、まだ低く、1.4～3.6％で、これは使用するプロトタイプに依存する。しかしこの技術の潜在力は大きい。「酸化鉄をベースにした安価なコンセプトにより、数年内に効率10％達成可能と見ており、コストは1【㎡】あたり80ドル。その価格で、従来の水素発声法と競争できる」。
水素発生反応を示す半導体は、単なる酸化鉄だ。「安定していて、ふんだんにある材料であり、それ以上に錆びることはないが、入手可能な最悪の半導体の1つである」。
研究チームが使用した酸化鉄が、ありふれたフルクギよりもわずかに改良されたものである理由は以下のとおり。ナノ構造であり、酸化ケイ素によってエンハンストされており、ナノメートル厚の酸化アルミニウムと酸化コバルトで覆われている。こうした処置により、材料の電気化学特性を最適化したが、それでも適用は簡単である。「材料を垂らしたり、ペイントするだけ、と言った簡単な調整法を開発する必要があった」。
デバイスの第2の部分は、色素と二酸化チタン、色素増感太陽電池の基本要素でできている。この第2の層により、酸化鉄から転移した電子が十分なエネルギーを持ち、水から水素を発生させる。

Sivula氏は、タンデムセル技術は酸化鉄を用いて最終的には効率16％を達成できると見ている。それでもローコストにとどまり、極めて魅力的なアプローチとなる。太陽エネルギーを安価に蓄積することができるようになると、EPFLが開発したシステムは、将来的には太陽エネルギーを実用的な再生可能エネルギー源として蓄積することができるようになる。