クリーンエネルギー向け効率的な水素生産の実現

世界の人口と経済の継続的な成長は、エネルギー需要の大幅な増加をもたらし、その約80％が化石燃料で賄われています。これらの資源は急速に枯渇しているだけでなく、環境中の温室効果ガス（GHG）の大幅な増加にも寄与しています。

その結果、太陽、風、水、バイオマス、そして地熱などの再生可能エネルギー源への関心が高まっています。

自然に再生する資源から得られる再生可能エネルギーは、クリーンで持続可能なエネルギーシステムにとって重要です。しかし、供給の不規則性や初期コストの高さ、地理的制約、広大な設置面積など、多くの課題に直面しています。

ここで水素が重要になります。 世界の水素需要は2023年に 9700万トン（Mt）に達し、前年から2.5％増加しました。 

クリーンエネルギー転換における水素の役割

宇宙で最も軽い元素である水素は、その柔軟性と重量に対して大量のエネルギーを蓄える能力から、より持続可能なエネルギーエコシステムを実現する有望な解決策として浮上しています。

太陽のような一次エネルギーではなく、二次エネルギーです。水、天然ガス、バイオマスなどの原料から製造しなければなりません。

天然ガスなどの化石燃料を用いて製造される場合（現在最も一般的な方法です）、水素はクリーンエネルギーではなく、年間のCO2排出量が大きくなります。

しかし、燃料電池で使用すれば、水素は副産物として水蒸気のみを生成し、クリーン燃料となります。

多用途のエネルギーキャリアとして、水素は重要なエネルギー課題のいくつかに対処できます。数週間から数か月にわたってエネルギーを蓄えることで、再生可能エネルギーの電力系統への統合を支援します。

核エネルギーや再生可能エネルギーで製造された低排出水素、あるいは炭素回収を伴う化石燃料由来の水素は、さまざまなセクターの脱炭素化に寄与できます。特に排出削減が難しい重工業や長距離輸送は大きな恩恵を受けるでしょう。しかし、この水素生産は2023年時点で全体の1％未満と、依然としてごくわずかな役割にとどまっています。

水素はさまざまな技術から生成できます。持続可能な水素を生産する最も効率的な方法の一つは水電解です。このエネルギー集約的な電解では、電力を用いて水を水素と酸素に分解します。この技術は十分に開発されており、商業的にも利用可能ですが、エネルギー効率は約52％と推定されています。

別のアプローチとしてプラズモリシスがあります。これは電解と同等のエネルギー収率を示し、電力消費の削減、主要コストの低減、装置サイズの小型化という利点があります。マイクロ流体工学とマイクロプラズマの最近の進展により、水蒸気プラズモリシスによる水素生産がエネルギー効率の面で有望になっています。

電力用水素を生成する他の方法として、光触媒、水素バイオ、熱化学プロセスがあります。

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水素技術は有望ですが、広範な利用には生産コスト、効率、全体的な環境持続性に関する課題が依然として残っています。クリーンエネルギー源の必要性が高まる中、研究者は新素材やより優れた技術でこれらの問題の解決に取り組んでいます。

水素効率を高める触媒イノベーション

水素技術が概念段階から商業化へと進む中、システムを効率的かつスケーラブルにする材料が主要な課題の一つです。これに対処するため、科学者たちはさまざまなアプローチに取り組んでいます。

例えば、中国科学院本部の研究で、今月Natureに掲載された研究では、プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）における白金の代替として微小な鉄触媒が紹介され、クリーンエネルギーの未来を変える可能性があります。掲載¹

PEMFCは水素と酸素から電気を生成し、副産物として水だけを排出するクリーンエネルギーデバイスです。しかし、触媒として希少で高価な白金に大きく依存しています。その普及を促進するため、研究者はこれらの燃料電池用に高性能な鉄ベース触媒を開発しました。

「内部活性化、外部保護」という巧妙な設計により、新触媒は有害副産物を削減しながら優れた性能を実現します。

Fe/N–C触媒は白金族金属触媒の有望な代替候補ですが、活性と耐久性が性能基準を満たせません。そのため、チームは多数のナノ突起が2次元炭素層上に分布し、単一のFe原子サイトがナノ突起の内部曲面に埋め込まれた新型Fe/N–C触媒を設計・開発しました。

その結果、新触媒は「最高性能の一つ」と言える白金族金属不使用のPEMFC性能を示し、300時間以上の連続運転後でも活性保持率が86％に達しました。

水電解による気候中立的な水素生産の重要技術のもう一つは、プロトン交換膜水電解（PEM-WE）です。

望ましい反応を加速するため、電極は特殊な電気触媒でコーティングされます。陽極には、特に酸性酸素発生反応（OER）において、イリジウム系触媒が一般的に使用されます。

OERは水分解プロセスにおける酸素生成段階で、クリーンな水素エネルギーを生み出しますが、依然として課題が多く非効率です。この反応はイリジウム系触媒を用いることで最も効果的です。

1803年に発見されたイリジウムは自然界に純粋な形で存在せず、白金、パラジウム、ニッケル、銅の生産副産物として商業的に回収されます。

イリジウムは密度が高く硬い金属で、空気や水、酸に影響されません。これらの特性により、スパークプラグ、科学機器、触媒、電子機器用導電インク、がん治療に使用されています。

純粋な形での使用は製造・加工の困難さからまれで、むしろ白金合金の形で使用されます。

しかし、イリジウム（Ir）は高価値金属で、地殻中で最も希少な元素の一つです。イリジウム含有鉱石は南アフリカ、米国（アラスカ）、ブラジル、ロシア、ミャンマー、オーストラリアで見つかります。

その希少性と、電子産業などからの高い需要により、非常に高価です。イリジウムは金よりも価値が高く、オンスあたり約5,000ドルです。

したがって、科学者がイリジウムに代わる新金属を探し、PEMWEの大規模導入を支援するのは当然です。しかし、非イリジウム代替の発見は設計空間が広大であるため、容易ではなく進展は遅いです。

数か月前、東北大学先端材料研究所（AIMR）の研究で、非貴金属触媒を用いた水電解によるクリーン水素生産の効率的で耐久性のある解決策として、新しい多孔質結晶触媒が詳細に報告されました。

この研究の材料は、酸性OER用に原子分散イリジウムをドープしたメソポーラス単結晶Co3O4です。

メソポーラススピネル構造は重要な役割を果たし、イリジウムの高負荷（13.8 wt%）を大きなクラスター形成なしで実現します。イリジウム負荷のための空間を提供するだけでなく、安定した環境の創出にも寄与します。

触媒は過電位（η₁₀）わずか248 mVで、100時間以上の性能を維持しました。

別の最近の研究では、研究者は「メガライブラリ」を作成し、数百万の異なるナノ構造の触媒活性を探索し、スケールと速度でイリジウム触媒の代替を探すことに貢献しました。

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ナノテクノロジーによる迅速な触媒発見

最新の研究では、コストとエネルギー効率の両面で優れた新しい水素燃料生産触媒が実際に見つかりました。

今月、Journal of the American Chemical Society（JACS）に掲載されたこの触媒の発見は、新しいナノ粒子メガライブラリを用いて行われ、イリジウムの性能に匹敵または上回り、はるかに低コストで水素燃料生産に貢献します。

長年にわたり、研究者はイリジウムの代替を探してきましたが、数十年かかっていた課題が、ノースウェスタン大学の科学者が開発した強力な新ツールを用いて、たった一日の午後に発見されました。

この新しく発明されたツールはメガライブラリと呼ばれ、世界初のナノ材料「データファクトリー」です。これらのライブラリは、1つの小さなチップ上に数百万の異なるナノ粒子を含んでいます。

この技術はトヨタ研究所（TRI）の研究者と協力して、商業的に有用な水素生産触媒を見つけるために使用されました。材料はその後スケールアップされ、デバイス内で機能することが示されました。すべてが記録的な速さで行われました。

新しい触媒を発見するために、研究者は触媒性能で知られる4つの安価で豊富な金属を使用しました。これらの金属は：

1. コバルト (Co)
2. クロム (Cr)
3. マンガン (Mn)
4. ルテニウム (Ru)

メガライブラリはこれらの金属の膨大な組み合わせを迅速にスクリーニングし、イリジウムに匹敵する新素材を見つけるために使用されました。

チームは実験室での性能が商業用イリジウムベース材料と同等、場合によってはそれ以上で、コストはわずかな割合である新素材を見つけました。

この発見は、グリーン水素を手頃にする可能性があります。

さらに、この新素材はメガライブラリ手法の有効性を示しており、さまざまな応用分野で新素材を発見する方法を変える可能性があります。

シニア研究者のチャド・A・ミルキンによれば、メガライブラリプラットフォームの主要発明者であり、2016年にメガライブラリを導入した人物です。

「我々は、化学者や材料科学者が利用できる膨大な組み合わせを探索し、重要な材料を見つけることができる、世界で最も強力な合成ツールを解き放ちました。」

メガライブラリプロジェクトでは、チームはその能力をエネルギーセクターが直面する大きな問題に向けました。ミルキンが指摘した問題は次のとおりです：

「イリジウムと同等の性能を持ち、かつより豊富で入手しやすく、はるかに安価な材料をどうやって見つけるか？この新しいツールにより、有望な代替材料を迅速に見つけることができました。」

ミルキンはノースウェスタン大学のワインバーグ芸術科学大学の化学教授であり、マコーミック工学部で化学・生物工学、バイオメディカル工学、材料科学・工学の教授でもあります。

グリーン水素は世界にとって重要なニーズですが、最も希少な材料の一つに依存しているため制約があります。

「我々の予測する需要を満たすだけのイリジウムは世界に十分に存在しません。」

– テッド・サージェント、ワインバーグの化学教授兼マコーミックの電気・コンピュータ工学教授

サージェントとミルキンは共同でこのプロジェクトに取り組みました。

「水を分解して代替エネルギーを生成することを考えると、供給面でイリジウムが十分ではありません。」

– サージェント

新しいツールでこの金属を置き換える候補を発見することは、従来の時間と手間のかかる材料探索プロセスを革命的に変える完璧な応用例です。従来の試行錯誤法とは異なり、メガライブラリは最適な組成を迅速に特定できます。

各メガライブラリは、数十万個の小さなピラミッド形チップで構成され、表面に個々の「ドット」を印刷します。各ドットは金属塩の慎重に設計された混合物を含み、加熱されて還元され、単一のユニークなナノ粒子が正確なサイズと組成で形成されます。

ミルキンによれば：

「各チップは小さな実験室の中の小さな人物のように考えることができます。1人の小さな人物が1つの構造を作る代わりに、何百万もの人物がいます。つまり、チップ上に研究者の大軍が配備されているのです。」

合計で、チップにはコバルト、クロム、マンガン、ルテニウムの異なる組み合わせから作られた1億5600万個の粒子がありました。ロボットスキャナーがそれらが酸素発生反応（OER）をどれだけ実行できるかを分析しました。

「初めて、迅速に触媒をスクリーニングできただけでなく、スケールアップした環境でも最高のものが良好に機能するのを確認できました。」

– 研究共同著者ジョセフ・モントーヤ、TRIのシニアスタッフ研究科学者

評価に基づき、研究者は低から高活性までの40の最高性能候補を選び、実験室でさらにテストしました。RuCoMnCr酸化物はミリグラムレベルにスケールアップされ、触媒性能が調査されました。

最終的に際立った組成がありました。この4金属すべての正確な組み合わせは：Ru52Co33Mn9Cr6酸化物です。

したがって、チームはマルチ金属触媒を得ることができました。この触媒は単一金属のものよりも活性が高いことが知られています。

「我々の触媒は実際にイリジウムよりやや高い活性と優れた安定性を持っています」とミルキンは述べました。「これは稀なことで、通常はルテニウムは安定性が低いです。しかし、組成中の他の元素がルテニウムを安定化させています。」

この触媒は1 A/cm²で1.58 V、3 A/cm²で1.77 Vの電圧を生成しました。

長期性能に関しては、この新触媒は過酷な酸性環境でも高効率と顕著な安定性を保ち、1,000時間以上稼働し、イリジウムの約1/16のコストで済みました。

「商業的に実用化するにはまだ多くの課題がありますが、ラボ規模だけでなくデバイス向けにも有望な触媒を迅速に特定できることは非常にエキサイティングです。」

– モントーヤ

新触媒の探索過程で、チームは大規模で高品質な材料データセットを作成し、機械学習やAIが次世代の新素材を設計する道を開くことができます。

TRI、ノースウェスタン大学、そしてそのスピンアウト企業Mattiqは、メガライブラリを超高速で検索するアルゴリズムをすでに開発しています。

しかし、これは始まりに過ぎません。AIと同様に、メガライブラリ手法はエネルギー変換の触媒発見を加速するだけでなく、先進的な光学部品、バイオ医療デバイス、バッテリーなど、ほぼすべての技術の材料探索を変革できる可能性があります。

「私たちはバッテリーや核融合など、あらゆる種類の材料を探していくつもりです」とミルキンは語ります。「世界は現在のニーズに最適な材料を使用していません。過去に利用可能だったツールで最適な材料が見つかりましたが、今はそれらに縛られています。これを覆す時です。妥協なしにすべてのニーズに最適な材料を本当に見つける時です。」

水素の力への投資

Bloom Energy Corp (BE ) は固定型燃料電池発電に従事しています。商業的に2つの製品を提供しています：水素生成用のBloom Electrolyzerと電力生成用のBloom Energy Serverです。

同社は世界最大の電解装置で水素を生産しており、NASAのエイムズ研究センターに設置され、商用電解装置（PEMやアルカリ）よりもメガワット当たり約25％多くの水素を生成しています。

これまでに、Bloom Energyは世界中で1,200以上の拠点にわたり、1.5 GWの低炭素電力を導入しました。

時価総額123.8億ドル、BE株は現在53.15ドルで取引され、年初来で138.36％上昇しています。最近、株価は55ドルを超え、ハイパースケーラーやデータセンターからの関心増加により新高値を付けました。また、7月にはオラクルとの重要な取引を確保し、今後も同様の取引が期待されています。

EPS（TTM）は0.11、P/E（TTM）は495.23です。