水素は、酸素と水しか排出しないため、次世代のグリーンエネルギー源として最も有望視されています。グレー水素、ブルー水素、グリーン水素は、それぞれ異なる方法で製造されます。製造される水素の種類とプロセスは、エネルギー源と二酸化炭素排出量によって異なります。中でも、グリーン水素の製造は二酸化炭素を一切排出しない、最も環境に優しい方法です。そのため、研究者たちは活性MXeneを用いたグリーン水素製造の効率化を目指して研究を進めています。
韓国科学技術院（KIST）のアルバート・ソン・スー・リー博士率いる研究チームは、成均館大学のチョン・ミン・クー教授の研究グループと共同で、陰イオン交換膜式水電解装置の電気触媒担体として、酸化安定性に優れたモリブデン系MXeneを開発した。
最近発表された報告書では、MXeneが酸化性の高電圧条件下でも安定していることが強調されている。実験結果によると、MXeneはグリーン水素製造のための酸素発生反応電極材料として使用できることが示されており、これにより製造コストの削減にもつながる可能性がある。
グリーン水素製造とMXeneの必要性
水を水素分子と酸素分子に分解するには、大量のエネルギーが必要です。反応のための表面積を大きくするナノスケールの微粒子触媒を使用すれば、プロセスに必要なエネルギーを削減できます。
しかし、時間の経過とともに触媒粒子が凝集するため、水素生成効率は低下します。これを防ぐために、主に炭素がカソードとして使用されますが、アノードの酸化反応中に炭素は CO2 に酸化されます。
そこで、Mxene というナノ材料を担体として利用します。金属原子 (Mo、Ti、Ta、Hf など) と炭素または窒素原子で構成されているため、導電性を示します。また、触媒の担体として適した 2D ナノ構造を有しています。これらの特徴により、水素製造に適しています。
別の研究では、テキサス大学の研究者たちが鉄分を豊富に含む岩石から水素燃料を開発している。
ハイライト: アクティブMXenesによる強化されたグリーン水素生産
- MXenes はチタンベースであり、その原子的性質により水中で容易に酸化されます。このため、高い電気伝導性を維持できないという触媒固有の欠点が生じます。
- この制限を克服するために、研究チームは補助触媒としてモリブデンカーバイドベースのMXeneを開発しました。
- モリブデンベースの MXene は、モリブデン原子と表面の活性物質コバルトの間に強力な結合を形成します。
- 反応によって生じる化学結合により、水素生成量は 2.45 倍に増加します。
- 最新のチタンベースのMXene（10時間未満）の結果と比較すると、セルの耐久性は40倍向上しています。
- この新しいアプローチにより、グリーン水素の生産コストが削減されます。
- 大規模な水素製造プラントや発電所などに応用される。
グリーンエネルギー分野における新たなブレークスルー：触媒により水素電解装置におけるイリジウム使用量を95％削減。
KISTのアルバート・ソン・スー・リー博士は、「MXeneを構成する元素を制御することで、グリーン水素製造環境に適した候補を見つけることができ、それによって酸化環境下でも安定したMXene担体を確保することができました」と述べています。
「今後は、触媒効率と耐久性に優れた酸素発生電極触媒を開発することで、水素経済の活性化に貢献していきたい」と、リー博士は付け加えた。
