研究者は水と光から水素を生成することにより、化石燃料に代わるより環境に優しい代替燃料を開発

2023 年 2 月 17 日

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ノースカロライナ大学チャペルヒル校著

ノースカロライナ大学チャペルヒル校化学科の研究者らは、化石燃料に代わる環境に優しい、水を酸素と水素ガスに分解することで太陽光を電気に変換できるシリコンナノワイヤーを開発した。

50 年前、科学者たちは、半導体電極の照射によって生成された電気を使用して、液体の水が酸素と水素ガスに分解できることを初めて実証しました。 太陽光発電を利用して生成される水素はクリーンエネルギーの有望な形態ですが、効率が低くコストが高いため、商用の太陽光発電水素プラントの導入が妨げられてきました。

経済的実現可能性の分析では、厳格なソーラーパネル設計の代わりにナノ粒子から作られた電極のスラリーを使用することでコストが大幅に削減され、太陽光発電の水素が化石燃料と競合できるようになる可能性があることが示唆されています。 しかし、光触媒とも呼ばれる既存の粒子ベースの光活性化触媒のほとんどは、紫外線しか吸収できないため、太陽光下でのエネルギー変換効率が制限されます。

UNC チャペルヒル芸術科学大学のハイド・ファミリー財団化学教授であるジェームス・カフーン博士と同学科の同僚たちは、さまざまな応用を可能にするユニークな物理的特性を持つ半導体ナノ材料の化学合成に取り組んできました。太陽電池から固体メモリまでのテクノロジーの数々。 カフーン氏は、2月9日にNature誌に掲載された研究結果の責任著者を務めている。

カフーン氏と彼のチームは、水を分解するのに必要な電力を生成できるように、軸に沿って複数の太陽電池を配置す​​る新しいシリコン ナノワイヤを設計しました。

「この設計はこれまでの原子炉設計では前例のないもので、PSRで初めてシリコンを使用できるようになりました」とカフーン研究室の博士研究員であるテイラー・テイッツワース氏は説明した。

シリコンは可視光と赤外線の両方を吸収します。 これは、その豊富さ、低毒性、安定性などの他の特性により、歴史的に太陽電池 (光電池および半導体とも呼ばれる) の最優先の選択肢でした。 その電子特性により、シリコン粒子を使って水をワイヤレスで分解する唯一の方法は、各粒子に複数の太陽電池をエンコードすることです。 これは、2 つの異なるシリコン形式 (p 型半導体と n 型半導体) の間に、接合と呼ばれる複数の界面を含む粒子を生成することで実現できます。

これまで、Cahoon 氏の研究は、望ましい形状と機能を付与するために、p 型ナノワイヤーにはホウ素、n 型ナノワイヤーにはリンを使用したシリコンのボトムアップ合成と空間制御変調に焦点を当てていました。

「私たちはこのアプローチを使って、水を分解する新しいクラスの多接合ナノ粒子を作成しました。これらは、シリコンの材料と経済的な利点と、吸収される光の波長よりも小さい直径を持つナノワイヤのフォトニック利点を組み合わせたものです」とカフーン氏は述べた。 「ワイヤー接合部には固有の非対称性があるため、光駆動の電気化学的方法を使用して、ワイヤーの端に選択的に助触媒を堆積させ、水の分解を可能にすることができました。」

詳しくは： Taylor S. Teitzworth 他、溶液中に懸濁したシリコン p-i-n 超格子による水の分割、Nature (2023)。 DOI: 10.1038/s41586-022-05549-5

デザイナーのシリコン ナノワイヤーは水と光から水素を生成します、Nature (2023)。 DOI: 10.1038/d41586-023-00154-6

雑誌情報:自然

ノースカロライナ大学チャペルヒル校提供