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「まず水素が発生しているかどうかを確認したい。微量な水素を検出できる簡便な測定器があればよいのに。」
研究現場のそんなニーズに応えたのがNISSHAエフアイエスのセンサーガスクロマトグラフSGCでした。光触媒による水分解反応はグリーン水素を製造する技術の新たな可能性として注目されています。その基礎研究では実験で発生する微量な水素の測定が不可欠です。センサーガスクロマトグラフSGCは、その微量水素の測定をとてもシンプルな操作で実現します。
今、なぜ光触媒による水素製造が注目されているのか
水素は持続可能社会を実現する次世代燃料の候補のひとつです。燃焼してもCO2を排出しないこと、地球上に豊富に存在していること、化石燃料に比べてエネルギー効率が高いことなどが、水素燃料のメリットとされています。
燃料に使用される水素は、製造方法の違いによって次の3種類に分けられます。
- グレー水素
- 化石燃料を使用するプロセスで製造される水素で、工程で発生したCO2は大気に排出するもの。
- ブルー水素
- 製造時に化石燃料を使用するが、工程で発生したCO2は回収か再利用される水素。
- グリーン水素
- 太陽光発電や風力発電などの再生エネルギーを使用し、工程内のCO2発生を抑えた方法で製造される水素。
水素の製造方法の特長
| 化石燃料の使用 | CO2の処理 | |
|---|---|---|
| グレー水素 | 使用する | 大気に排出 |
| ブルー水素 | 使用する | 回収または再利用 |
| ブルー水素 | 使用しない | CO2を発生させない |
これら3つの水素のうち、工程内でCO2を排出しないグリーン水素の開発はカーボンニュートラルに貢献する重要なテーマです。そのグリーン水素の製造技術の中でも持続可能性の観点から注目を集めているのが光触媒を利用した水素製造です。
光触媒とは太陽光を吸収することで化学反応を促進する物質の総称です。ある種の光触媒は太陽光を受けることで物質の表面に電子と正孔を発生します。この作用を利用して水を分解することで水素を製造するのです。電力に頼らず、水と光さえあれば水素を製造できる光触媒は、環境負荷の少ない製造技術として注目されています。
ペロブスカイト化合物の水素生成能に着目した上智大の高分子化学グループ
さまざまな研究機関が光触媒の研究を進める中で、上智大学理工学部物質生命理工学科の高分子化学グループは有機－無機ペロブスカイト化合物を光触媒として利用し、その水素発生能を評価する研究を実施しました。
ペロブスカイト化合物は軽量かつ高効率な次世代太陽電池の材料として注目されており、太陽光を吸収することで電子と正孔を生成する光触媒として機能します。ところがペロブスカイト化合物は水中での安定性が悪いため、水素の製造源としての研究は進んでいませんでした。しかし2024年頃、特定の水溶液下ではペロブスカイトが安定的に機能し、水素を発生するという研究結果が発表されたことで、ペロブスカイトの光触媒効果を水素製造に応用できる可能性が示されました。
この研究成果を知った上智大の高分子化学グループでは、ヨウ化水素酸とホスホン酸を含む水溶液中でペロブスカイト化合物が安定的に存在しうることを確認し、その環境下でのペロブスカイトの水素生成能を評価しました。
実験に使われたのは有機アミンとヨウ化鉛からなる有機-無機ペロブスカイト化合物。この化合物はヨウ化鉛八面体を基本構造とし、結晶構造が三次元（3D）的に広がる3D構造と、有機-無機層が交互に積層する二次元（2D）構造、そして、3Dと2Dの中間的な構造を持つ擬二次元（q-2D）構造の化合物が存在します。高分子化学グループはこれらの構造を有する微結晶を作製し、次元性の違いにより水素発生効果に差が生じるかどうかを検証する実験を行いました。
わずかに発生する水素を検出したい
実験は500 mLのガラス瓶を使った小規模な実験でした。そもそも水素が本当に発生するかどうかの確認からのスターです。そのようなガラス瓶レベルの実験では、たとえ水素が発生してもその量はppmオーダーのわずかな量であることが予測されます。このような微量の物質の検出にはガスクロマトグラフィー（ガスクロ）を使用するのが一般的です。しかし、ガスクロは設備が大きく、分析技術が必要であり、水素が発生するかどうかを初期的に確認する段階において導入するには高価な装置です。
「もっと簡便に水素の発生を検出できる測定器はないだろうか」
そのような測定機器を探す中で出会ったのがセンサーガスクロマトグラフSGCでした。
アンダーppm（ppb）の水素を簡便に検出できるSGC
センサーガスクロマトグラフSGC（機種名：SGHAシリーズ）はポータブルな測定器で、小型カラムと半導体式ガスセンサーの組み合わせによりサンプルガス中の水素をリアルタイムに検出します。必要な試料ガスはわずか1 cc。ガラス瓶内の気体サンプルを自動採取し、そこに含まれる水素濃度を測定します。検出できる水素濃度範囲は10 ppb～10,000 ppb（10 ppm）。デスクトップで使用できるうえにキャリアガスボンベも必要としないSGCは、光触媒の基礎研究にはうってつけのシンプルな装置だったのです。
次元性の違いによりペロブスカイト化合物の光触媒能に差があることを実証
高分子化学グループはセンサーガスクロマトグラフSGCを使って、3D、2D、q-2Dのそれぞれのペロブスカイト化合物の光触媒能を評価しました。その結果、q-2D、2D構造のペロブスカイト化合物からは水素の発生が確認され、3D構造の化合物からは水素が発生しなかったというデータを得ることができました。
このように、SGCは微量な水素の発生を確認することに役立ったのです。この研究成果は第70回応用物理学会で発表されました。
水素製造の基礎研究に貢献するセンサーガスクロマトグラフSGC
光触媒による水素製造は環境負荷の少ないグリーン水素の製造技術として今後も研究が進められていきます。その基礎研究においては微量水素の分析は欠かせません。センサーガスクロマトグラフSGCはグリーン水素製造の基礎研究においてシンプルでスピーディーな水素測定を実現します。センサーガスクロマトグラフSGCは、クリーンな水素エネルギーの開発にこれからも貢献していきます。
