サステナビリティ
シリコンカーバイド、 水素光触媒の候補としての性能向上
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水素が脱炭素化に不可欠な理由
エネルギーシステムの脱炭素化を目指す中で、いくつかのプロセスは単なるグリーン電力だけでは不十分であることが明らかになってきました。これは、特にバスやトラックといった重輸送における輸送、船舶や航空機における輸送、そして鉄鋼製造や化学品生産といった重工業において同様に当てはまります。
その理由は、いくつかの用途では非常に高温の燃焼（冶金）、メタンを使用せずにエネルギー豊富な水素原子を供給すること（化学産業）、または非常にエネルギー密度の高い燃料（船舶）が必要であり、電力やバッテリーだけでは要件を満たせないからです。
「乗用車はバッテリーを搭載できますが、重トラック、船舶、航空機はエネルギーを蓄えるためにバッテリーを使用できません。これらの輸送手段には、クリーンで再生可能なエネルギー源を見つける必要があり、水素は有力な候補です。」Jianwu Sun – リンクホープ大学の准教授
このため、研究者や気候活動家は化石燃料を使用せずに製造されるグリーン水素を代替案として検討しています。しかし、問題はこれまでのところ、グリーン水素の製造コストが高すぎて、化石燃料に対抗して大規模に採用できないことです。
グリーン水素製造の課題を解決する方法
これまでのところ、水素を製造する多くの方法は2段階のプロセスに基づいています:
- まず、太陽光、風力、水力、またはその他の再生可能エネルギーでグリーンエネルギーを生成します。
- 次に、このグリーン電力を用いて水を水素に変換する触媒反応を駆動します。
問題は、マルチステップのプロセスは必然的に効率が低下することです。
例えば、太陽光は太陽光パネルで変換される効率が20〜25％にとどまり、次にその電力が水素触媒装置へ送られますが、こちらも比較的低い効率です。結果として、太陽エネルギーから水素への総変換効率はおそらく一桁台の低いパーセンテージにとどまります。
さらにコストの問題があります。触媒はプラチナやパラジウムといった希少金属を使用する可能性が高く、再生可能エネルギーの生産にも銀などの希少素材が使われます。また、太陽光発電所から触媒装置への電力送電には多額の投資が必要となります。
最後に、多くの水素生成触媒は安定した電力供給を必要とするため、インフラに大容量バッテリーシステムを追加しなければなりません。
この課題を解決するために様々なアプローチが検討されています。例えば、以前に以下のように議論しました:
- 水素製造に異なる材料を使用する、例えば タングステン-コバルト や ニッケル。
- プラチナとコバルトの加工時に出るスクラップ金属を利用する。
- ルテニウムナノ粒子を用いた人工光合成プロセスを創出する。
これらの方法は最終的に、膨大な新規プラチナを必要としない、より安価な触媒の実現につながる可能性があります。
しかし新たなアプローチとして、直接光触媒法があります。これは、まず電力に変換せずに太陽光エネルギーから直接水を水素に変換する方法です。直接光触媒は、複数段階の必要性を排除するだけでなく、よりシンプルで希少性の低い材料を用いてグリーン電力生成とインフラを構築できます。
このアプローチは、スウェーデンのリンシェーピング大学、 日本の九州大学、 スウェーデンのMAX IVラボラトリー、 中国の大連理工大学の研究者らによって推進されています。彼らは最新の成果をJournal of the American Chemical Society1 に「二重界面エンジニアリングによる3C-SiC光陽極の電子構造操作で太陽光水分解を強化」というタイトルで発表しました。
光触媒におけるシリコンカーバイド
シリコンカーバイドが直接光触媒を可能にする仕組み
この研究チームは以前、立方体シリコンカーバイド（3C-SiC）という材料を用いて研究を行ってきました。
出典: RRL Solar
この材料は光化学的な水分解反応を通じて、太陽光を効果的に捕捉し水素を生成できます。
出典: RRL Solar
太陽光が材料に当たると、電荷が生成され（多結晶シリコン太陽電池のように）、その電荷が水を分解するために利用されます。
この用途向け材料の開発における課題は、正負の電荷が再び再結合して相殺しないようにすることです。
したがって、水を水素に分解する効率を高めるためには、電荷を分離したまま保持することが重要です。
新しい三層シリコンカーバイド触媒設計
研究者は立方体シリコンカーバイドの層と、ニッケル水酸化物（Ni(OH)2）およびコバルト酸化物（Co3O4）の二層を組み合わせました。
チームは以前、昇華法を用いて立方体シリコンカーバイドの製造を最適化し、X線回折（XRD）で結晶の品質を確認していました。
また、層間界面が電荷の寿命を延長し、水を水素と酸素に分解する化学反応で電子が利用される可能性が高まることも確認しました。
“非常に複雑な構造であるため、本研究の焦点は各層の機能とそれが材料特性の向上にどのように寄与するかを理解することにありました。”
“新素材は、純粋な立方体シリコンカーバイドに比べて水を水素に分解する性能が8倍向上しています。”
光触媒効率向上の次のステップ
これまで、シリコンカーバイド光触媒はエネルギー変換効率が1〜3％にとどまっていました。
ニッケル水酸化物層の下に「P型」コバルト酸化物層を配置することで、電子の移動が促進され、水素生成が高速化します。
まだ完全ではありませんが、研究者はこの手法により大幅に改善できると見込んでいます。
最終的には、プラチナやパラジウムを必要とせず、複雑なインフラや継続的な電力供給も不要で、太陽光が当たるだけでデバイス上で直接水素が生成され、10％以上の収率が期待されます。
シリコンカーバイド企業への投資
ON Semi
ON 価格チャート
ON Semiは電動化を専門とする半導体企業で、自動車分野だけでなく、太陽エネルギー、バッテリー、航空宇宙、通信、データセンター、医療などの分野も含みます。
そのため、世界最大手の産業企業の多くにとって重要なパートナーです。
出典: ON Semi
ON Semiの技術的優位性の大きな要因は、シリコンカーバイドという、エネルギー密度の高い電気システムに使用されるシリコン‑炭素化合物に基づいています。特に、電気自動車の高速充電に必要な非常に高い電力負荷を実現できます。
シリコンカーバイドは、研究者が最近半導体グラフェンを開発するために使用した化学物質であり、当社の記事「グラフェン半導体 – ついに実現したのか？」でも取り上げました。また、ここでも水素生成の可能性があると議論されています。
シリコンカーバイドへの注力戦略により、ON Semiは近年、EV革命に牽引されて収益が急増しています。
出典: ON Semiconductor [securities_stock_price_tag symbol="ON" exchange="NASDAQ"]
シリコンカーバイドを使用した、ますます強力で効率的なバッテリーや電気システムは、世界のサプライチェーンで重要性を増しています。業界のリーダーとして、ON Semiは特にEVやその他のグリーンエネルギーの電動化トレンドから大きな恩恵を受けるでしょう。
（この企業に関する詳細な記事は「On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification」).
最新のON Semi（ON）株式ニュースと開発情報
参照研究
1. Hui Zeng, et al. (2025) 二重界面エンジニアリングによる3C-SiC光陽極の電子構造操作で太陽光水分解を強化. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005
