高効率エネルギー変換
高効率なエネルギー変換で脱化石燃料社会を実現する
――燃料電池をナノスケールで調整することで、二酸化炭素や汚染物質を排出しない効率的なエネルギー変換システムを開発する。
研究キーワード：燃料電池、水分解水素製造光触媒、有機ナノ集積体
現在、化石燃料に依存した発電方法をクリーンで持続可能な方法に置き換えるため、開発競争が繰り広げられている。太陽光技術や水素技術は、大規模なエネルギー生産を可能にするほどの高い効率性には、まだ到達していない。こうしたことから、本研究プロジェクトでは、現在の太陽電池や水素燃料電池の改良を目指すとともに、環境中に既に存在する汚染物質を減らす方法についても模索している。
プロジェクトを率いる工学研究院教授の星永宏は、「二酸化炭素や汚染物質を排出しない効率的なエネルギー変換システムを開発することが できれば」と話す。「私たちは、太陽光と水を燃料として発電するシステムの開発を進めようとしています。そのために、太陽電池や水素燃料電池に使用するナノマテリアルの構造を分子・原子レベルで制御し、そのエネルギー利用効率を最適化する必要があります」。
星らの研究チームは、できる限り多くのエネルギーを無駄なく捕捉できるデバイスを作るため、ナノ粒子・単結晶表面・有機ナノ集合体など、様々なナノ構造を用いた研究を進めている。
エネルギー変換の効率化
太陽電池や水素燃料電池に使用される触媒の表面構造は、変換効率に強く影響する。例えば太陽電池の光捕集剤の分子配向により、電池全 体の光電変換効率が大きく変動する。
太陽電池の機能を高める方法の一つに、表面に色素のコーティングを施すことが挙げられる。原子レベルで構造規整した色素を表面上に吸着することにより、光を受けたときの電池の光電変換効率が変化する。同研究チームでは、単結晶二酸化チタン(TiO2)の基材表面に亜鉛ポルフィリン(ZnP)色素を吸着させた場合の効果を調べる研究を行った。3種類のTiO2単結晶面を調べた結果、TiO2の表面構造によって、効率的に電流を発生させるZnP色素の効果が大幅に変化することが明らかになった。実際、ZnP TiO2基材の一つは、別の基材に比べて13倍もの光電変換効率を示した。
星は、この基材の変換効率が高かった原因として、吸着させたポルフィリン系色素の配向にあると見ている。色素が傾くと、ポルフィリン環とTiO2表面との間の距離が短くなり、ポルフィリン環からTiO2表面への電子移動が加速される。このように、ナノスケールの表面構造に細かく注意を払うことで、高効率で規模の拡大に対応可能な、費用対効果の高い太陽光発電の開発に向けた突破口が開けると期待されている。
一方で水素の製造過程に着目すると、現在、主として熱と圧力を用いて天然ガスから水素を分離する方法が取られている。しかし、この製造工程では大量の二酸化炭素が生成してしまうため、研究者らは、天然ガスに代わって水から水素を生成する方法を模索している。水素は、燃焼時に水と水蒸気しか排出せず、あらゆる 種類のシステムの燃料として利用できる可能性が期待されている。星らの研究チームは、実際に水素を利用して、過剰な二酸化炭素を使用に耐える燃料に変換する方法を開発した。
「私たちは、炭素酸化物やアンモニア、廃油 などの汚染物質を分解できる光触媒の研究を行っています。最近、光触媒を用いて二酸化炭 素からメタンに変換する手法の開発に成功しました。二酸化炭素の還元に必要な水素源には水素ガスを用いています。」(星)。
「ゼロエミッション社会という目標の実現に向けて、同研究チームは、急成長するこのナノテクノロジー分野に関心を寄せる研究者との共同研究や民間企業との連携を歓迎している。
Members
※所属・職位は支援当時のものです推進責任者
| 研究者名 | 役職名 | 専門分野 |
|---|---|---|
| 星 永宏 | 教授（工学研究院） 研究総括 |
表面電気化学 |
中核推進者（学内研究グループ構成員）
| 研究者名 | 役職名 | 専門分野 |
|---|---|---|
| 中村 将志 | 教授（工学研究院） | 表面電気化学 |
| 泉 康雄 | 教授（理学研究院） | 触媒化学 表面化学 X線分光 |
| 矢貝 史樹 | 教授（グローバルプロミネント研究基幹 工学研究院） | 有機機能材料科学 |
| 小島 隆 | 准教授（工学研究院） | 無機合成化学 |
研究内容
プレスリリース
| 2017年5月10日 | 世界初！光でほどけるらせん状人工ナノ繊維の開発に成功 人口細胞からドラッグデリバリーまで幅広い分野への応用に期待 |
| 2017年4月21日 | 電解メッキ初期過程における電極近傍イオン種のリアルタイム観測に成功 ?金属析出速度の支配因子を決定? |
| 2017年2月21日 | 分子の集まり方をコントロール 低コストの太陽電池実現へ前進 分子が自ら高い精度で階層的に組み上がる仕組みを解明 |
研究成果報告（2016年〜2018年）
4グループが共同で燃料電池，水分解光触媒，有機太陽電池に関する基礎研究を行った。研究成果の概要を以下にまとめる。
燃料電池と水素製造水分解光触媒 (星・中村班)
燃料電池の酸素還元反応(ORR)と水分解水素製造光触媒の高活性化を行った。燃料電池に関しては，原子レベルで表面構造を規整したPt(111)電極に疎水性のテトラへキシルアンモニウムイオン(THA+)を添加する簡便な手法で，添加前に比べORR活性が8倍向上することを発見した。この成果を特許申請するとともに，学術論文をNat. Commun. 9, 4378 (2018).に掲載した。アルキルアミン(OA/PA)でPt単結晶電極を修飾すると，ORR活性が広い(111)テラスを持つ面で増大する。赤外スペクトルで活性化機構を調べ，クラスターサイズの小さな氷状の水の存在がORRを活性化することを明らかにした。また，芳香族骨格を持つメラミンは裸で最大のORR活性を示すPt(331)面の活性を2倍に向上させた。メラミン修飾Pt(331)はPt電極の中で最大のORR活性を持つ。
水分解水素製造光触媒に関しては，TiO2(100)面にエオシンと構造規整Ptナノ微粒子を担持することで，水素生成速度がTiO2(110)面の11倍に増大することを見出し，表面X線回折で活性化機構を検討した。
光燃料電池 (泉班・小島班)
光燃料電池中の光電極を構造規整することで，独自の設計原理に基づく高電圧化（単セル当たり2ボルト以上）・大出力化（0.1 mW cm−2）を実現した。負極上に配向を揃えた15〜21 nmの均一分散TiO2結晶子を作製し，可視光活用のためデルフィニジン色素をTiO2に添加することで，開放電圧が2.11 Vの世界最高性能を得た（ACS Sustainable Chem. Eng. 6, 11892 (2018)）。本班のセルデザインは両極に光触媒を用いる独自のもので，高電圧を取り出した報告例は本班が世界で唯一となり、固体高分子型燃料電池、ペロブスカイト太陽電池や他の太陽電池と比べて，単セルで2 V以上の高電圧を得られる。本研究で、光燃料電池用に，粒子形状・結晶面・サイズ分布・配向を含めて光電極を開発した点で特に差別化できる。また光正極触媒として本研究の一環で、13CO2光燃料化の経時変化と反応経路解明を世界で初めて報告した（J. Am. Chem. Soc. 141, 6292 (2019)）。
有機太陽電池 (矢貝班)
星・中村班と協働し、次元規制された有機・無機複合体を構築し，有機薄膜太陽電池，色素増感太陽電池，さらには水素発生光触媒へ応用する試みを推進した。特筆すべき成果としては、核酸塩基に類似した多重水素結合部位によって有機色素の自己組織化を制御し、溶液塗布によって自発的に円筒状ナノ構造を与える手法を確立した。さらに、ナノ構造をフラーレン誘導体と混合し、有機薄膜太陽電池を作成することで、光電変換効率3.0%を達成した（Chem. Commun. 52, 7874 (2016)）。また，星らと連携して炭素材料界面におけるチオフェン系色素の配列を走査型プローブ顕微鏡によって解明した。さらに、得られた色素配列が階層的に組み上がり、螺旋ナノ構造を形成することで，水素結合を用いた有機薄膜太陽電池材料としては極めて高い光電変換効率（4.5%）を示すことを実証した（Chem. Sci. 9, 3638 (2018); カバー絵に選定（右図））。