新しい革新的なシステムは海水を燃料に変えることができます

Mar 14, 2023

SLAC国立加速器研究所2023年5月30日

海水を水素ガスに変換するチームの双極膜システムの図。 クレジット: Nina Fujikawa/SLAC 国立加速器研究所

水素、酸素、ナトリウムなどを含む海水中の元素の混合物は、地球上の生命にとって不可欠です。 しかし、この複雑な化学組成は、持続可能なエネルギー用途のために水素ガスを分離しようとする場合に課題を引き起こします。

最近、エネルギー省のSLAC国立加速器研究所、スタンフォード大学、オレゴン大学、マンチェスターメトロポリタン大学の科学者チームが、海洋から水素を抽出する方法を発見した。 彼らは二重膜システムと電気を通して海水を注ぎ込むことによってこれを達成します。

彼らの革新的な設計は、有害な副産物を大量に生成することなく水素ガスを生成することに成功したことが証明されました。 最近ジュール誌に発表された彼らの研究結果は、低炭素燃料を生産する取り組みを前進させるのに役立つ可能性がある。

「今日の多くの水から水素へのシステムは、単層膜または単層膜を使用しようとしています。私たちの研究では 2 つの層が結合されました」と、SLAC スタンフォード大学 SUNCAT 界面科学・触媒センターの准研究員であるアダム・ニーランダー氏は述べています。共同研究所。 「これらの膜構造により、実験で海水中のイオンがどのように移動するかを制御できるようになりました。」

水素ガスは現在、燃料電池電気自動車の走行や、電気自動車の長期エネルギー貯蔵オプション（数週間、数カ月、またはそれ以上のエネルギーを貯蔵するのに適したもの）など、さまざまな方法で使用されている低炭素燃料です。グリッド。

水素ガスを製造する多くの試みは真水または脱塩水から始まりますが、それらの方法は高価でエネルギーを大量に消費する可能性があります。 処理水は、浮遊する化学元素や分子が少ないため、取り扱いが容易です。 しかし、水の浄化には費用がかかり、エネルギーが必要で、装置が複雑になると研究者らは述べた。 もう一つの選択肢である天然の淡水には、地球上の資源がより限られていることに加えて、現代の技術にとって問題となる不純物が多数含まれていると彼らは述べた。

海水を扱うために、チームは双極膜システムを実装し、電気分解を使用してテストしました。電気分解は、電気を使用してイオンまたは荷電元素を駆動して目的の反応を実行する方法です。 SLACおよびスタンフォード大学博士研究員ジョセフ・ペリーマン氏によると、彼らは海水系にとって最も有害な元素である塩化物を制御することから設計を始めたという。

"There are many reactive speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">「海水中には水から水素への反応を妨げる可能性のある海水中の化学種が含まれており、海水を塩辛くする塩化ナトリウムが主な原因の1つです」とペリーマン氏は述べ、「特に、陽極に到達して酸化する塩化物は寿命を縮めることになる」と述べた。分子状塩素や漂白剤を含む酸化生成物の毒性により、実際には安全ではなくなる可能性があります。」

実験では双極膜を使用することで、水素ガスの生成に必要な条件を実現し、塩化物が反応中心に到達するのを軽減します。

「我々は基本的に、この塩化物反応を止める方法を倍増させている」とペリーマン氏は語った。

理想的な膜システムは、海水から水素と酸素ガスを分離するという 3 つの主要な機能を実行します。 他の海水イオンを制限しながら、有用な水素および水酸化物イオンのみを移動させるのに役立ちます。 そして望ましくない反応を防ぐのに役立ちます。 これら 3 つすべてを同時に実現することは困難であり、チームの研究は、これら 3 つのニーズすべてを効率的に組み合わせることができるシステムを探索することを目的としています。

具体的には、彼らの実験では、正の水素イオンである陽子が膜層の 1 つを通過して、収集される場所に到達し、負に帯電した電極と相互作用して水素ガスに変換されます。 システムの 2 番目の膜は、塩化物などのマイナスイオンのみを通過させます。

スタンフォード大学卒業生のダニエラ・マリン氏によると、追加の安全策として、膜の1つの層には膜に固定されたマイナスに帯電した基が含まれており、これによって塩素などの他のマイナスに帯電したイオンが本来あるべき場所に移動しにくくなるという。化学工学の学生で共著者。 負に帯電した膜は、チームの実験でほぼすべての塩化物イオンをブロックするのに非常に効率的であることが証明され、そのシステムは漂白剤や塩素などの有毒な副産物を生成することなく動作しました。

この研究は、海水から水素への膜システムの設計に加えて、海水イオンがどのように膜を通過するかについての一般的な理解をさらに深めると研究者らは述べた。 この知識は、科学者が酸素ガスの生成などの他の用途向けに強力な膜を設計するのにも役立ちます。

「電気分解を利用して酸素を生成することにもある程度の関心が寄せられています」とマリン氏は語った。 「双極膜システムにおけるイオンの流れと変換を理解することは、この取り組みにとっても重要です。実験では水素を生成することに加えて、双極膜を使用して酸素ガスを生成する方法も示しました。」

次にチームは、より豊富で採掘が容易な材料を使用して電極と膜を構築することで、電極と膜を改良することを計画しています。 この設計の改善により、電解システムを運輸部門などのエネルギー集約的な活動で水素を生成するために必要なサイズに拡張しやすくなる可能性があると研究チームは述べた。

研究者らはまた、電解セルをSLACのスタンフォードシンクロトロン放射光源（SSRL）に持ち込み、施設の強力なX線を使用して触媒や膜の原子構造を研究できることを期待している。

「グリーン水素技術の未来は明るい」とSLACとスタンフォード大学の教授でSUNCATの所長であるトーマス・ハラミロ氏は語った。 「私たちが得ている基本的な洞察は、このテクノロジーのパフォーマンス、耐久性、拡張性を向上させるための将来のイノベーションに役立つ鍵となります。」

参考文献：「海水耐性バイポーラ膜電解槽による水素製造」、ダニエラ H. マリン、ジョセフ T. ペリーマン、マッケンジー A. ヒューバート、グレース A. リンドクイスト、リハオクン チェン、アシュトン M. アレマン、ガウラフ A. カマット、ヴァレリー A. Niemann、Michaela Burke Stevens、Yagya N. Regmi、Shannon W. Boettcher、Adam C. Nielander、Thomas F. Jaramillo、2023 年 4 月 11 日、Joule.DOI: 10.1016/j.joule.2023.03.005

このプロジェクトは米国海軍研究局によって支援されています。 スタンフォード・ドーア・スクール・オブ・サステナビリティ・アクセラレーター。 SLACとスタンフォードの共同研究所である界面科学・触媒センターSUNCATを通じたDOEの基礎エネルギー科学、化学科学、地球科学、生物科学部門。 DOE のエネルギー効率および再生可能エネルギー燃料電池技術室。