海水を分解すると無限のグリーン水素源が得られる可能性がある

マイナス面のない気候変動対策はほとんどありません。 再生可能エネルギーを利用して水分子を分解して作られる「グリーン」水素は、二酸化炭素の匂いを吐き出すことなく大型車両に動力を与え、製鉄などの産業を脱炭素化できる可能性がある。 しかし、水分解装置または電解装置は純水を扱うように設計されているため、グリーン水素の規模を拡大すると、世界的な淡水不足がさらに悪化する可能性があります。 現在、いくつかの研究チームが海水から直接水素を製造する進歩を報告しており、これは無尽蔵のグリーン水素源となる可能性がある。

「これが将来の方向性だ」とヒューストン大学（UH）の物理学者、Zhifeng Ren氏は言う。 しかし、カルガリー大学の材料化学者であるメディド・キブリア氏は、今のところ、より安価な解決策があると言う。それは、水が従来の電解槽に流れる前に塩を除去できる脱塩装置に海水を供給することだ。

現在、ほぼすべての水素は、メタンを分解し、化石燃料を燃やして必要な熱と圧力を発生させることによって作られています。 どちらのステップでも二酸化炭素が放出されます。 グリーン水素はこの汚れた水素に代わる可能性がありますが、現時点では 2 倍以上のコストがかかり、1 キログラムあたり約 5 ドルです。 その理由の一部は、貴金属から作られた触媒に依存する電解槽のコストが高いことです。 米国エネルギー省は最近、電解槽を改良し、グリーン水素のコストを 1 キログラムあたり 1 ドルまで下げるための 10 年にわたる取り組みを開始しました。

もしそれらが成功し、グリーン水素の生産が急増すれば、世界の淡水供給に対する圧力が高まる可能性がある。 電気分解を使用して1キログラムの水素を生成するには、約10キログラムの水が必要です。 国際再生可能エネルギー機関によると、トラックや主要産業をグリーン水素で運営するには年間約250億立方メートルの淡水が必要となる可能性があり、これは人口6,200万人の国の水消費量に相当する。

海水はほぼ無限にありますが、それを分割することには独自の問題が伴います。 電解槽は電池とよく似た構造になっており、一対の電極が水状の電解質に囲まれています。 1 つの設計では、カソードの触媒が水分子を水素 (H+) イオンとヒドロキシル (OH-) イオンに分解します。 カソードでの過剰な電子は、水素イオンのペアを縫い合わせて水素ガス (H2) を作り、水から泡立ちます。 一方、OH- イオンは電極間の膜を通ってアノードに到達し、そこで触媒が酸素を酸素ガス (O2) に編み込み、放出されます。

しかし、海水を使用すると、アノードで O2 を生成する電気的衝撃により、塩水中の塩化物イオンが腐食性の高い塩素ガスに変換され、電極や触媒が侵食されます。 これにより、通常は何年も稼働できる電解槽がわずか数時間で故障してしまいます。

現在、3 つのグループがこの腐食を止める取り組みを報告しています。 メルボルンのRMIT大学の材料科学者であるNasir Mahmood氏が率いる研究者らは、硫酸塩やリン酸塩などの負に帯電した化合物で電極をコーティングすることで、負に帯電した塩化物イオンをはじき、イオンの生成を防ぐことができるとSmall誌2月8日号で報告した。塩素ガス。 RMIT チームは、水素がほんの少ししか発生しなかったにもかかわらず、最大 2 か月間電極の劣化が事実上なかったと報告しました。 それ以来、研究者らは未発表の研究で、市販の淡水電解装置と同じ速さで水素を生成するための設備を強化したとマフムード氏は言う。

アデレード大学のナノ技術者 Shizhang Qiao 氏と彼の同僚は、H+ イオンのみを透過する膜を使用する 2 番目のタイプの電解槽に変更を加えました。 この設定では、カソードではなくアノードで水分子が分割され、電子が奪われて自由な H+ イオンが生成されます。 イオンは膜を通ってカソードに移動し、そこで電子と結合して H2 を生成します。 Qiao らは電極を酸化クロムでコーティングしました。これにより、塩化物イオンをはじく OH- イオンの泡が引き寄せられました。 この装置は、劣化することなく高流下で100時間海水を分解したと彼らはNature Energy誌1月30日号で報告している。 「このような賢い設計を見ることができてとてもうれしいです」と、UH 材料物理学者の Shou Chen 氏は言います。

南京理工大学の化学技術者、Zongping Shao氏と彼の同僚は、塩化物を防ぐために第3の手段を講じた。 彼らは電極を膜で囲み、周囲の海水浴からの淡水蒸気のみを通過させました。 電解槽が淡水を水素と酸素に変換すると、膜を通してより多くの水分子を引き込む圧力が発生し、淡水の供給が補充されます。 Nature の 2022 年 11 月 30 日号で、Shao と彼の同僚は、セットアップが劣化の兆候なく 3200 時間動作したと報告しました。 「これは内部蒸留プロセスのようなものです」とライス大学の応用物理学者、ハオティアン・ワン氏は言う。

塩をふるい分ける膜は商業用の淡水化プラントの膜に似ており、グリーン水素のコストを1キログラム当たり約0.01ドル追加するだけで、すでに淡水を生産するのに十分な効率を備えている。 だからこそキブリア氏は、電解槽をいじることは、淡水化プラントに単にグリーン水素プロジェクトを結びつけることほど意味がないと言うのだ。 「車輪を再発明する必要はない」と彼は言う。 「これは解決された問題です。」

マフムード氏はこれに同意しない。 まず第一に、大規模な資本プロジェクトを投資する余裕がない国にとって、淡水化はすぐに利用できる選択肢ではない、と彼は言う。 さらに、耐食性電極は、廃水や汽水など、他の不純な水源の取水にも役立つ可能性があると彼は言います。 「私たちは代替技術の開発に取り組み続ける必要があります」と彼は言います。