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貴金属を使わない、グラフェンの電極 低コストな水素発生装置に期待

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貴金属を使わない、グラフェンの電極 低コストな水素発生装置に期待

東北大学は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業の一環として、水素を低コストで大量に発生させる装置の実現につながる、貴金属触媒を使わず多孔質グラフェンを用いた高性能な水素発生電極を開発した。

次世代エネルギー媒体として注目される水素の発生電極には高価な白金が使用されている。本研究グループは、窒素と硫黄を導入した3次元ナノ多孔質グラフェンを水素発生電極に使用し、白金代替のニッケルと同等の水素発生を実証した。低コスト、かつ、高性能な電気分解法水素発生装置の実用化への展開が期待される。

研究の概要

本研究グループは、平板電極と比べて単位触媒体積あたりの表面積を500倍程度まで増大させ、かつ、窒素と硫黄を少量添加した「3次元ナノ多孔質グラフェン」の作製に成功し、その電極特性を測定した結果、水素発生電極として機能することを見いだした。さらに、この電極は現在白金代替金属として期待されているニッケルと同等の電気エネルギーで水素を発生することがわかった。

この成果は、貴金属を含めた金属元素を含まない3次元ナノ多孔質グラフェン電極の有効性を示したものであり、またその多孔性構造から大きな表面積を持つため、電極および装置の小型化につながる可能性が示唆され、今後の水素利用促進に貢献することが期待される。

3次元ナノ多孔質構造を持ったグラフェンを用いた水素電極

3次元ナノ多孔質構造を持ったグラフェンを用いた水素電極

研究の背景

水素はクリーンなエネルギー媒体として期待され、製造、輸送および貯蔵のそれぞれの面から技術開発が進められている。その中で、燃料電池自動車が水素を補充するための水素ステーションなどで水素を「その場発生」させて供給する方法に注目が集まっているが、そのための水の電気分解法にはエネルギー利用効率の向上や電極の小型化などの課題がある。また、水素発生用電極材料としては、白金が最も優れているが、コストが高いことから白金に変わる代替材料(ニッケルなど)の開発が望まれている。

水素発生とは、水の電気分解のように電気を流すことによってH2O分子から水素と酸素に分ける反応をいう。従来、白金など非常に高価な貴金属を用いて水素を発生させていた。

「3次元ナノ多孔質グラフェン」とは、立体構造を持つナノ多孔質(物質の内部にナノサイズの細孔がランダムに繋がったスポンジ構造体)金属を鋳型として、その上に化学気相蒸着法を用いてグラフェン(炭素原子のシート)を成長させることによって、2次元物質であるグラフェンに3次元構造を持たせた厚みのある物質をいう。

【参考】
東北大学 - 貴金属触媒を使わない水素発生電極の開発 ~多孔質グラフェンで、水素を低コストで大量に発生~

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