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電気化学で高活性電極材料の開発と秋田の主要産業を支える

期待される次世代エネルギー「水素」

　日本のエネルギーは石油や石炭などの化石燃料に大きく依存していますが、CO₂を排出しない脱炭素化の流れが強まる中、さまざまな分野での取り組み強化は必須です。そしてそれが世界共通の目標ともなっています。
　高橋先生は、燃料電池の普及と低価格化に向けて新規燃料電池電極材料の研究、電解によってCO₂を還元する電極触媒についての研究をしています。

　近年では、都市ガスやプロパンガスから水素を取り出し、発生した電気と熱を利用して発電や給湯に利用する家庭用燃料電池「エネファーム」や、水素と酸素の化学反応により発電した電気エネルギーでモーターを回転させる燃料電池自動車「FCV」などの燃料電池が普及し始め、身近に感じられるようになりました。これら燃料電池の共通点は『水素を燃料に電気を作っている』ことです。
　水素は使用時にCO₂を排出しないカーボンフリーな次世代クリーンエネルギーとして注目されており、酸素と結びつけることで発電したり、燃焼させて熱エネルギーとして利用されています。
　水素自体は電気を使って水から取り出すことができますが、天然ガスや化石燃料、メタノール、エタノールなどの資源からも作ることもできます。しかし、資源を海外からの輸入に頼っていることや特定地域への依存性が高く国際情勢の影響を受けやすいという問題があります。高橋先生は、水素を限りある資源からではなく太陽光発電や洋上風力発電など再生可能エネルギーから得ることができれば、日本のエネルギー問題も希望が見えてくると考えています。
　太陽光や風力は時間帯や天候に左右されるため安定した電気供給が難しく、場合によっては余剰電力となるケースもありますが、その余剰電力から水素を作るアプローチは期待されているといいます。そして国内の資源を利用することで、日本のエネルギー自給率は向上していくのです。

エネルギーとしての水素の使い方

　水素は通常、水素原子が2つ結びついた水素分子(H₂)の形をとり、地球上では主に水などの化合物の状態で存在します。無色無臭で燃焼させても酸素と結びつきCO₂を排出しません。
　天然ガスから水素を取り出す場合は主成分のメタンと水蒸気を反応させますが、再生可能エネルギーから水素を取り出す場合は、得た電気エネルギーから水を分解する手法をとります。水素は爆発するというイメージもありますが、爆発させずに反応を分離させて電気を取り出す、つまり爆発のエネルギーを電気に変えるという考え方が燃料電池であり、水素社会の主役と言っても過言ではありません。
　しかし、水素社会の実現には水素を充填する水素ステーションのインフラ整備や日本全国のネットワーク構築が必要です。また、エネファームやFCVの普及のためには燃料電池システムの向上とコストダウンが鍵となります。水素社会の構築に向けたこれらの取り組みを、現在は国の事業として進めているそうです。
　「FCVが高価格なのは燃料電池の触媒に白金（＝プラチナ(Pt））が使用されていることも理由だとされています。酸素還元反応を早めるために触媒は不可欠ですが、白金は希少で高価なものです。そのため白金の使用削減や白金に変わる高活性燃料電池電極触媒が得られれば、燃料電池のコストダウンが期待できます」と高橋先生は言います。
　水素の貯蔵や運搬は気体の状態では効率が悪く、液化や圧縮が必要となります。液化する場合は超低温で冷却して体積を減らし、低温を保たなければいけません。また、圧縮して高圧ガスで運搬するにも専用トレーラーが必要となり、この工程も高価格の一因とされています。そこで、水素に比べ貯蔵や運搬などの取り扱いが容易な次世代エネルギー分野での活用に注目されているのがアンモニアです。

期待されるアンモニア燃料

　アンモニア(NH₃)は水素(H)と窒素(N)の化合物です。アンモニアといえば刺激臭のする有毒物質を思い浮かべると思いますが、肥料の原料（硫酸アンモニウム）や合成繊維、合成ゴムの原料として幅広く用いられ、アンモニア水として簡単に圧縮もできる物質です。大量輸送や貯蔵が難しい水素(H₂)をアンモニアに変換?輸送し、利用する場所で水素に戻すということができ、その技術は既に確立されています。
　アンモニアはCO₂を排出せず、大量合成できれば安価で製造することが可能な上、既存のインフラを活用できるのも大きな魅力です。このような再生可能エネルギーを水素、そしてアンモニアに変換して貯蔵?運搬する方法を『エネルギーキャリア』といいます。
　この先、燃料電池自動車が普及したとしても水素ステーションのインフラ工事費用や貯蔵の安全性担保が困難とされる中で、アンモニアはエネルギーキャリアとして非常に優れた物質といえます。そこでポイントとなるのがこのアンモニアをどう使うかです。アンモニアは火力発電の燃料として用いることができます。しかし、天然ガスなどよりも燃えにくく、今後の技術革新が期待されます。また、アンモニアは燃料電池の燃料にも使用できます。この場合もやはり、一般的な燃料である水素よりも反応しにくい構造であり、電気を取り出しづらいという難点あるほか、ここでも触媒に白金が使われています。高橋先生は白金を可能な限り減らすことや、触媒に使用する貴金属、非金属の両面で白金よりも高活性の新規電極触媒材料がないかを模索しています。

CO₂電解還元反応に優れた活性を有する触媒の開発

　現在の電気エネルギーの大半が化石燃料を使用する火力発電で作られており、CO₂の排出は避けられない状況です。そのため少しでもCO₂を減らす様々な取り組みが各地でなされています。その中でも、火力発電所や工場等で排出されたガスからCO₂をだけを分離して集め、地中深くに埋めて放出を防ぐCCS（二酸化炭素回収?貯留）という技術が注目を集めています。
　さらに、石炭に少量の酸素と熱を加えて蒸し焼きにすることで一酸化炭素と水素を主成分とする燃料ガスが生成されます。この水素を活用しようとする一方、石炭にはカーボンが含まれているためCO₂が排出されてしまいます。このCO₂を一酸化炭素やメタノールに変換して利用することを目指して以前から研究が行われています。
　また、秋田沖の洋上風力発電が稼働するようになると余剰電力が出ると予想されることから、高橋先生はこの余剰電力を活用することも視野に入れているといいます。高橋先生の研究では合成繊維やプラスチックなどの原料として使われるメタノールへの還元までは成功しており、今後は天然ガスの主成分であるメタンへの還元も視野に入れて研究を進めています。この研究が成功すると、還元されたメタンを火力発電に使うことも可能になり、こうしたエネルギーの再利用は環境と産業への貢献にも役立ちます。これはエネルギーの地産地消とも言えるのです。

低電力でO₂発生反応を促進する電極触媒の開発

　秋田県の主要産業の一つに亜鉛の製造があります。亜鉛(Zn)は自動車、船舶、家電製品、構造物、建築材料などの防食や合金材料としての需要があり、秋田市の飯島製錬所は電気亜鉛を年間20万トン生産し、国内生産量の3割を占める国内最大規模の亜鉛製錬所となっています。
　飯島製錬所では、はじめに硫化亜鉛(ZnS)を焙焼して酸化亜鉛を作り、硫酸に溶解して硫酸亜鉛(ZnSO₄)にします。そして電極2本が入った電解槽に硫酸亜鉛の電解液を流し込み、電解採取して電極に析出させた電気亜鉛を回収するという製造方法をとっています。
　高橋先生によると、電解採取の過程で大量の電力を消費するそうです。この時、片方では亜鉛の析出、もう一方では酸素が発生する反応が起きています。亜鉛の析出は比較的進みやすいのですが、酸素発生反応の速度が非常に遅く、そのために多くの電力を消費してしまうといいます。
　こうした酸素発生反応には耐久性やコストの面から触媒には通常鉛系のアノードを使用します。しかし反応が遅く、これには鉛の他にルテニウム(Ru)の酸化物を混ぜ込むことで非常に良い効果が出るそうです。ところが貴金属の一種であるルテニウムは高価であり、コストダウンが望まれます。高橋先生はこうした問題解決のためにも、低電力で電気亜鉛を製造できる安価な電極触媒の開発に取り組んでいます。

　「日本はエネルギー大量消費国でありながら自給率は乏しく、ほとんどが海外からの輸入に頼っている現状です。現在化石燃料への依存度は80％を超え、再生エネルギー依存度は10％ほどと言われています。枯渇が心配される化石燃料や、エネルギー消費による環境への影響は地球規模で取り組まなければならない問題です。化石燃料に替わるエネルギー事情は今後一変する可能性もあります。日本には資源がなく、エネルギー問題は何らかの形で解決しなければならないため、この流れ自体は正しい方向だと思います」
　私たちが安全で快適に生活するために役立つ新しい材料を作ること、地球環境に配慮した省資源でリサイクル可能な材料の研究は今後も重要な課題となります。こうした知識を有する技術者は広い分野で求められ、高橋先生の研究室で学んだ学生は、エネルギー系や材料系、半導体系などさまざまな場所で活躍しています。
　「新しい電極触媒を見出すためには電気化学反応や触媒に関する知識が必要です。そして新規材料探索には若い人の柔軟な発想が必要です」と語る高橋先生。秋田の主要産業の活性化のために、また燃料電池のクリーン発電システムの実用化に向け、これからも研究は続いていきます。

研究室の学生の声

大学院理工学研究科 物質科学専攻 材料理工学コース
修士1年 細島 洋喜 さん

　私が金鲨银鲨_森林舞会游戏-下载|官网理工学部に入学したのは、他では学べない専門分野の知識を得ることで、将来自分にとって武器となり得る学問の習得ができると思ったからです。そして材料理工関係に興味があったことと、高橋先生が優しく教えてくださったことがきっかけでこの研究室に入りました。
　現在私は亜鉛電解採取のアノードについて研究をしています。将来は研究者や技術者の道を進みたいと思いながら日々研究に取り組んでいます。

理工学部 物質科学科 材料理工学コース
4年次 土井 紀明 さん

　私は山形出身ですが、東北には材料系について学べる大学が多くはありません。大学選考の際に金鲨银鲨_森林舞会游戏-下载|官网理工学部を勧められ、オープンキャンパスに参加したことでさらに興味が湧きました。
　現在はアンモニア燃料電池の新しい触媒について研究しています。将来は研究職に就き、さらに研究を進めたいと思っています。

大学院理工学研究科 物質科学専攻 材料理工学コース
修士1年 織田 隼輔 さん

　私はもともと化学に興味があり、色々な研究をしてみたいと思ったこと、先生の人柄にも惹かれたこともこの研究室に入ったきっかけです。
　私は現在水素燃料について研究をしています。水を分解して酸素と水素を作り、酸素が発生することに着目してルテニウム窒化物を様々な角度から分析しています。そして将来はこの研究を活かした職業に就きたいと思っています。
　高校生で将来の職業まで考えている人は少ないかもしれませんが、大学進学後に興味のあるものを見つけて大学生活を楽しんでもらいたいと思います。

大学院理工学研究科 物質科学専攻 材料理工学コース
修士2年　佐藤 ひかる さん

　材料には金属やセラミックなどがありますが、私は科学より化学に興味があり、電気化学の授業を受けてさらに化学への関心が深まりました。私が現在研究しているのはアンモニア燃料電池の活性を高める触媒についてです。
　私は静岡出身なので冬の秋田は静岡と比べるととても寒いですが、食べ物やお酒も美味しく自然も多いのでとても住みやすく感じています。大学に入学するとさまざまな方向性も見えてくるので、自分の興味のある研究を選んでみてください。きっと楽しい学生生活が待っていると思います。