エネルギー科学：光触媒的水分解における9％を超える太陽光-水素変換効率

地球上で最も豊富な2つの天然資源である太陽光と水から水素燃料を製造することは、カーボンニュートラルへの最も有望な手段の1つである。一部のソーラー水素製造方法、例えば光電気化学的水分解は、腐食性の電解質を必要とすることが多いため、性能安定性や環境持続可能性が制限される。別の方法として、光触媒的水分解によって、太陽光と水からクリーン水素を直接製造できる。しかし、光触媒的水分解の太陽光-水素変換（STH）効率は、まだ非常に低い。今回我々は、純水、集光太陽光、窒化インジウムガリウム光触媒を用いて9.2％という高いSTH効率を達成する戦略を開発した。この戦略の成功は、最適な反応温度（約70°C）で動作させることによって、水素と酸素が発生する正反応を促進させつつ水素と酸素が再結合する逆反応を阻害するという相乗効果に起因するものであり、この反応温度は、太陽光の中でこれまで使われていなかった赤外光を利用することによって直接実現できた。さらに、今回の温度依存性の戦略で、広く入手可能な水道水や海水によって約7％のSTH効率、257 Wという自然太陽光の能力を用いた大規模光触媒的水分解システムで6.2％のSTH効率も得られた。今回の研究によって、自然太陽光と水から水素燃料を効率よく製造する実用的な方法が得られ、ソーラー水素製造の効率のボトルネックが克服される。

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