プラチナフリー水素触媒：クリーンエネルギー技術の大きな進歩

気候危機の悪化によりエネルギーシステムの脱炭素化が緊急の課題となり、世界中でクリーンエネルギーへの転換が進行しています。

石炭や石油などの化石燃料とは異なり、クリーンエネルギーは生産時にメタン、CO2、一酸化窒素などの温室効果ガスやその他の汚染物質を大量に排出せず、より健康的な環境に寄与します。

興味深いことに、クリーンエネルギーは再生可能エネルギー源である太陽のように常に補充され地球全体で利用できるだけでなく、ウランなど有限資源を利用する原子力エネルギーといった非再生可能エネルギー源からも得られます。

化石燃料と比較して、クリーンエネルギーは保守・運用コストが低く、消費者にとって価格がより安定します。

このように、環境への影響を低減し持続可能性を促進するクリーンテック技術への投資が急速に拡大しており、デロイトによると2024年第3四半期の投資額は過去最高の710億ドルに達しました。

さて、クリーンエネルギー源について、代表的なものは次の通りです：

1. 太陽光 – 太陽の放射エネルギーを利用し、光電池（PV）パネルなどの技術で太陽光を直接電気に変換します。2024年には世界の太陽光容量が大幅に増加し、593GWの太陽光PV容量が新たに追加されました。
2. 風力 – 風の運動エネルギーをタービンで電気に変換します。タービンの設置場所により、陸上風力（風力発電所が陸上に設置）と海上風力（風力発電所が海上に設置）の2種類があります。
3. 水力 – 流れる水の運動エネルギーは主にダムとタービンで電気に変換されます。水力発電は全電力生成の約15%を占めています。
4. 地熱 – 地球内部の熱エネルギーを利用し、地下貯留層に設置された地熱発電所で取得します。
5. バイオマス – 作物廃棄物や森林残渣などの有機物を利用します。
6. 原子力 – 原子の核分裂や核融合から得られるエネルギーです。デロイトの電力・ユーティリティ調査によると、先進的な原子力技術は今後数年で増大する電力需要を満たす上で最も重要な役割を果たすとされています。
7. 水素 – 水素はさまざまな資源から生成され、燃料電池で使用されると水だけが生成されます。米国エネルギー省（DOE）は水素ハブの開発に70億ドルを割り当てました。

水素：強力なクリーン燃料

周期表で最初の元素である水素（H）は、無色・無臭・無味で、非常に可燃性が高く、無毒の気体です。また、最も単純で軽く、最も豊富に存在する元素でもあります。

しかし、水素が極めて魅力的なのは、燃焼時に水蒸気だけが生成される点です。特に再生可能エネルギーで製造されたグリーン水素は、輸送や発電といった分野の脱炭素化に貢献できます。

社会のエネルギー需要が高まる中で、水素はさまざまな資源から潜在的に生成できる非常に効率的なクリーンエネルギー源です。実際には、他の資源で生成されたエネルギーを輸送・貯蔵・供給できるエネルギーキャリアでもあります。

現在、水素燃料の主な製造方法は次の通りです：

1. 熱プロセス – 蒸気改質と呼ばれる高温プロセスで、蒸気が天然ガス、ディーゼル、ガス化石炭、ガス化バイオマス、再生可能液体燃料などの炭化水素燃料と反応して水素が生成されます。
2. 電解プロセス – 電流を用いて水（H2O）を酸素と水素に分離します。このプロセスは電解槽内で行われ、電気が水を通過することで分子が分離されます。
3. 太陽駆動プロセス – 光を利用して水素を生成し、光生物学的、光電気化学的、太陽熱化学的などのアプローチが含まれます。
4. 生物学的プロセス – バクテリアや微細藻類などの微生物を利用した生物反応で水素が生成されます。

水素は社会のクリーンエネルギー需要に対して非常に高い潜在力を持っていますが、克服すべき課題が残っています。課題には大量生産、輸送、貯蔵の実現が含まれ、さらに水素製造は安定かつ低コストである必要があります。

水素発生反応（HER）は、最も環境に優しく持続可能な水素製造方法と考えられています。これは水の電気分解を伴う陰極反応です。

この水の電気分解プロセスでは、プラチナ、ニッケル、その他の遷移金属が触媒として使用され、プロトンを水素ガスに還元します。

ここで問題となるのは、触媒として最も一般的に使用される金属であるプラチナです。プラチナは高い触媒性能を示すものの、希少性とコストの問題があります。そのため、貴金属の使用量を削減する代替触媒への関心が高まっています。

プラチナが水素をクリーンにする役割

銀と間違えられることもある光沢のある銀白色の金属、プラチナ（Pt）は、ネットゼロ排出の達成に不可欠です。この密度が高く、延性があり光沢のある金属は、非常に不活性で高温でも腐食に強いです。

しかし、プラチナは極めて希少な金属で、金の30倍以上の希少性を持ち、地殻中の濃度はわずか0.005ppmです。希少金属であるため、採掘が困難かつ高コストであり、最終製品の価格が高くなります。

プラチナは主に南アフリカで採掘され、世界供給の70%以上を占めます。その他、ロシア、ジンバブエ、カナダ、米国でも採掘されています。

用途としては、プラチナは宝飾品の製造に使用されますが、最も重要なのは電子部品や触媒コンバータに利用され、輸送部門の排出削減に貢献しています。2022年だけで約85トンが触媒コンバータに使用されました。また、世界的なエネルギー転換における重要鉱物としても浮上しています。

特に電解槽においてプラチナは極めて価値があります。様々なタイプがありますが、水素プロジェクト開発者はプロトン交換膜（PEM）電解を好みます。アルカリ電解に比べて効率的なPEM電解槽は、プラチナを用いて極めて高性能な触媒を実現します。

プラチナはPEM燃料電池にも使用されます。PEM電解槽と逆の動作をし、水素と酸素を分離する代わりに、プラチナを触媒として組み合わせます。

水素燃料電池は、アノード（負極）とカソード（正極）の2つの電極と、それらを分離する電解質で構成されます。アノードにあるプラチナなどの金属層の触媒が水素分子をプロトンと電子に分解し、これらがカソードへ移動して電流を生み出します。

プラチナの優れた導電性と化学的安定性が、触媒としての高効率を実現しています。その効率性は燃料電池で高いエネルギー変換率を達成する鍵であり、従来のエネルギー源と競合できる要因です。

脱炭素化の必要性が高まる中、プラチナベースのPEM技術は世界のCO2排出削減の11%を達成する可能性があるため、プラチナ需要は増加すると予想されます。

このように、世界中でプラチナへの関心が高まっています。米国ではインフレーション削減法が低炭素水素に対する税制優遇を設け、クリーン水素の生産と燃料電池EVの導入を加速させようとしています。一方、欧州委員会のREPowerEUは2030年までにクリーン水素の容量を80GWに倍増することを目指しています。

世界プラチナ投資協議会によれば、この世界的な推進により、クリーン水素生産が2040年までにプラチナ需要の最大の供給源（35%）になる可能性があります。

需要と供給の不均衡に加えて、プラチナなどの貴金属の使用は高コストや劣化リスク、環境問題といった課題も抱えています。そのため、研究者はプラチナを水素触媒から除去し、より優れた代替手段を見つけるべく継続的に取り組んでいます。

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プラチナフリー触媒の開発

プラチナフリー水素の実現を目指し、シドニー大学（UNSW）の研究者は、研究を実施しています。これにより、貴金属使用に伴う課題に取り組んでいます。

研究者は、なぜ一部の触媒材料がプラチナより安定性が低いのかを理解する新しい手法を開発し、他の研究者が新素材を開発し、プラチナフリー触媒の将来展望を高める手助けとなります。

研究によると、燃料電池内の鉄系活性部位の75%が最初の10時間で不活性化することが判明しました。これは主に鉄活性部位の喪失と炭素腐食が原因です。

別の研究¹では、ウィスコンシン大学マディソン校、コーネル大学、武漢大学の研究者が新しい水素燃料電池触媒の方法を発見しました。

研究者は、カソードとアノードの両方の電極に安価な非貴金属ニッケルを使用しました。ニッケル系電気触媒は、窒素ドープ炭素で構成された2nmシェルで設計されました。

炭素と窒素原子で構成されたグラフェン様シェルに単一ニッケル原子を埋め込むことで、酸化に耐性を持ち、理想的な強度で水素原子と結合し、効果的な水素酸化反応（HOR）を実現しました。

固体ニッケルコアを炭素シェルで包み、コバルト・マンガンカソードと組み合わせたアノード触媒により、200mW/cm²以上の出力を持つプラチナフリー水素燃料電池が作られました。

2020年にDOEのアルゴンヌ国立研究所の科学者は、酸素還元反応（ORR）に依存する水素燃料電池用の最も有望なプラチナフリー触媒を発見し、開発しました。これは鉄、窒素、炭素を基にし、900〜1100℃で熱分解しました。

その後、材料の鉄原子は窒素原子と結合し、グラフェンに埋め込まれました。各鉄原子はORRが起こる部位となり、電極の効率を高めます。

このように、プラチナへの依存を減らし水素燃料電池と電解の効率とコスト効果を向上させるために、研究者はプラチナと同等の性能を持つパラジウム系ナノシート触媒を開発しました。

手頃な水素のためのプラチナ代替素材としてのパラジウム

最新の² 研究は東京理科大学（TUS）の研究者らが開発した新規水素発生触媒、ビス（ジイミノ）パラジウム配位ナノシート（PdDI）に関するものです。

パラジウムは光沢のある銀白色で、プラチナ族金属の中で最も豊富で、密度はプラチナよりはるかに低いです。

パラジウムはプラチナに匹敵する効率をはるかに低コストで提供し、手頃で持続可能な水素生産への道を開き、クリーンエネルギー革命を加速させます。

東京理科大学の西原浩教授と前田浩明博士が率いるチームは、他の研究機関と協力し、HER技術における画期的な成果を上げました。

HER触媒電極は、水分解中に電極表面で生成されるHを水素ガス（H2）に変換します。プラチナの制限を克服するため、チームはシンプルな合成プロセスでプラチナ触媒の高効率代替を提供します。

チームは、貴金属使用量を削減しながら触媒活性を高める能力を持つパラジウム系ナノシートを作製しました。

前田博士は「効率的なHER電気触媒の開発は持続可能なH2生産の鍵であり、ビス（ジイミノ）金属配位ナノシートは高導電性・大表面積・効率的な電子移動により有望な候補です」と述べ、金属配置が材料使用量を削減すると付け加えました。

PdDIナノシート（E-PdDI と C-PdDI）は2つの異なる方法で開発されました：

1. 電気化学酸化
2. 気液界面合成

活性化後、E-PdDIシートは34mVという低い過電位を示し、これは水素生成に余分なエネルギーがほとんど必要ないことを意味します。これはプラチナの35mVと同等で、交換電流密度2.1mA/cm²という触媒性能も同等です。

「顕著な性能」はPd金属電極だけでなく、従来のMDI（M=Ni, Co, Cu）ナノシートをも上回り、極少量の貴金属でこの卓越した性能が実現されたと研究は指摘しています。

これらの結果により、E-PdDIはこれまでで最も効率的なHER触媒として位置付けられ、プラチナの低コスト代替として有望です。

長期安定性に関しても、PdDIナノシートは酸性条件下で12時間保持され、実用的な水素生産システムへの適用性が検証されました。

「我々の研究は、H2生産をより手頃で持続可能にする一歩前進であり、クリーンエネルギー未来の実現に重要です。」

– 前田博士

希少で高価なプラチナへの依存を減らすことで、ビス（ジイミノ）パラジウム配位ナノシート（PdDI）は国連の持続可能な開発目標（SDGs）と合致し、手頃でクリーンなエネルギー、イノベーション、インフラを促進します。

この研究は実験室に限定されず、PdDIナノシートのコスト効果、スケーラビリティ、活性向上により、大規模エネルギー貯蔵システム、水素燃料電池、産業用水素生産で極めて有用です。

さらに、PdDIはプラチナ系触媒に伴う採掘関連排出を削減し、持続可能な水素経済への移行を加速します。TUSチームの次のステップは、実用化に向けてPdDIナノシートを最適化することです。

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投資対象となる革新的企業 

それでは、プラチナフリー水素触媒の開発を含むクリーンエネルギー技術の進展を支援している分野の有力企業を見てみましょう。

Plug Power Inc. (PLUG )

時価総額15億4000万ドルの同社は水素燃料電池システムを専門とし、コスト削減と効率向上のためにプラチナフリー触媒の研究を行っています。

執筆時点で、PLUG株は1株あたり1.71ドルで取引され、年初来で21.6%下落しています。EPS（TTM）は-2.54、P/E（TTM）は-0.65です。

2024年第4四半期にPlug Powerは報告したところ、売上高は1億9150万ドルで、粗利益率は122%の損失でしたが、営業キャッシュフローは前年同期比46%改善しました。年末には2億ドル超の制限なし現金を保有し、同社は最近DOEの16億ドルローン保証プログラムを完了しました。

この期間中、Plug Powerの電解槽事業は拡大を続け、水素事業も強化されました。

「2024年はPlugにとって強力な実行と戦略的進展の年であり、イニシアチブを前進させ、水素経済の推進に大きく前進しました。」

– CEO Andy Marsh

Plug Power の最新情報

結論

世界人口は急速に増加しており、2080年代中頃までに約103億人に達すると予測されているため、温室効果ガス排出の問題はさらに深刻化します。これにより、化石燃料エネルギーへの依存を削減し、クリーンで安全、豊富、環境に優しいエネルギー源への転換が必要となります。

ここで、水素エネルギーはクリーンで持続可能な未来の主要な推進力として浮上し、化石燃料のゼロエミッション代替手段を提供します。期待は大きいものの、大規模な水素生産は高価なプラチナ系触媒に大きく依存しており、コストが業界の大きな課題となっています。

貴金属PtをPdDIナノシートで置き換えることで、最新の研究は電極のコスト効果的な製造に突破口を開き、電極供給産業、水素生産、自動車分野で大きな成果をもたらしました。

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参照文献：

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Synthesis of Bis(diimino)palladium Nanosheets as Highly Active Electrocatalysts for Hydrogen Evolution. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082