水素社会実現に近づくプラズマ駆動電解反応がグリーン水素を製造
脱炭素社会に向けた様々な水素製造法が併用される中、白井直機准教授は大気圧環境の下、プラズマを水中で直流電圧によって安定的に生成するプラズマ駆動電解反応法を提唱。陰極・陽極両方からの水素製造に取り組んでいる。今後は水素発生およびファラデー効率が1を超えるメカニズムの解明と高率的な製造技術の開発を目指す。
大気圧環境でのプラズマ研究を水素製造に応用
世界規模のカーボンニュートラルが求められている今、水素社会の実現が推進されている。かつては化石燃料由来が主流だった水素の製造方法に太陽光や風力の再生エネルギーを使った水の電解反応が加わり、CO2を排出しない「グリーン水素」の製造が期待されている。
他方、物質の“第4の状態”といわれるプラズマを活用した研究も近年急速に多様化が進んでいる。北海道大学大学院工学研究院にも「プラズマ環境プロセス」「プラズマ材料工学」「プラズマ生体応用工学」と、プラズマを冠した3つの研究室が存在する。
これまでプラズマは低気圧環境での研究が中心であったが、大気圧環境で水とプラズマが直接作用することで得られる知見が増え、医療や農業分野などへの応用が広がっている。
プラズマ環境プロセス研究室の白井直機准教授は長年、大気圧環境下での水溶液と相互作用したプラズマ生成に取り組んできた知見をベースに、次世代エネルギーである水素の製造法を独自に開発。さらに通常電解反応と比較すると、水素発生量が著しく増加する現象を新たに見出した。
気泡内にプラズマを発生、ガスの正体は水素と酸素
現在、水電解を用いたグリーン水素製造技術はアルカリ水電解、固体高分子型電解、高温水蒸気電解が存在するが、これらに続く“第4の製造法”として白井氏は「プラズマ駆動電解反応」を提唱する。
「従来の方法は電極材料や用途に応じた触媒、高価な材料・装置が必要でしたが、本研究の究極の目標は水とプラズマだけで水素を作ること。しかもそれらを極力シンプルな方法で実現しようとしています」と白井氏は語る。
通常、直流電圧を用いて水中で放電プラズマを生成しようとしても、水が導電性を持つため電圧をかけられない。直流電圧と水の導電性という組み合わせがプラズマ生成に大きな障壁になると考えられていたのだ。そこで白井氏は絶縁管で包んだ金属電極の上部に気泡が生まれるスペースを設けることで、気泡内に直流電圧駆動でプラズマを定常的に発生させる独自の手法を開発。
そこで発生したガスを分析したところ、通常の水電解では陰極から水素、陽極から酸素が2：1の割合で発生するが、プラズマ駆動電解反応では陽極からも陰極からも水素と酸素が同時発生し、さらにガスの発生量が陽極の方が陰極を上回ることが明らかになった。
で発⽣するのに対し、プラズマ駆動電解では両電極から⽔素酸素が発⽣し、陽極側のガス発⽣量の
⽅が多い。
1960年代に発表された、プラズマ電解反応の類似研究である「Contact glow discharge electrolysis」では、液体アンモニアからヒドラジンが、希硫酸から過酸化水素が発生することが報告されている。いずれも生成物の量が一般的な電解反応のファラデー効率1を上回る結果が出ているが、そのメカニズムについては解明されていない。
今回の水素生成量にも同様の結果が見られ、“なぜ生成量が増えるのか”という問いかけに対して、今後は種々の実験条件を精査し、プラズマ研究者としての知見を入れながら現象の解明に取り組んでいく。
将来の目標は反応量の制御や電気化学との連携も
「将来的には反応量の制御、例えば水素と酸素の発生比率を自在に変えるとか、あるいは水処理を併用した水素製造等ができるようになれば、プラズマの利点を活かした新しい水素製造技術の確立が可能になります」
プラズマ駆動電解反応はプラズマ自体が電極の役割を果たすため、電極損耗の心配がなく、水以外にも多様な溶液に応用できる。電気化学や触媒分野の研究者との連携にも期待がかかる。
目指すは研究室の基礎研究から社会実装へ。「工学部だからこそできる基礎研究」で次代の水素社会を切り拓く。
⼤型化も検討中。
工学研究院 応用量子科学部門
准教授 白井 直機
