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Aug 22, 2023

クリーンエネルギーの可能性を秘めた分子ミステリーソリューションで金を打ち出す

ペンシルバニア州立大学主導の研究チームは、水素スピルオーバーと呼ばれる現象を支える分子機構を明らかにした。 この理解は、より効率的かつ効果的な水素貯蔵につながる可能性があります。

ペンシルバニア州立大学主導の研究チームは、水素スピルオーバーと呼ばれる現象を支える分子機構を明らかにした。 この理解は、クリーン エネルギー利用のためのより効率的かつ効果的な水素貯蔵につながる可能性があります。 現在の方法では、水素を液体の状態で貯蔵するために多大なエネルギーとスペースが必要です。 クレジット: Hirun/Getty Images。 無断転載を禁じます。

2023年8月31日

アシュリー・ウェナーズヘロン著

ペンシルバニア州ユニバーシティパーク — 水素の流出というのは、まさにその名前の通りです。 シリカのような熱的に安定した酸化物に固定された小さな金属ナノ粒子は、触媒の主要な部類を構成し、触媒は、それ自体が消費されることなく化学反応を促進するために使用される物質です。 触媒反応は通常、反応性が高く高価な金属で起こりますが、一部の触媒では、水素原子のような同等物が文字通り金属から酸化物にこぼれます。 これらの酸化水素種は「水素スピルオーバー」と呼ばれます。

1964 年に初めて説明されたこの好奇心は、クリーン エネルギーとして水素を利用する潜在的な経路として、最近さらに注目を集めています。 しかし、ペンシルベニア州立大学の化学工学および化学教授バート・チャンドラー氏によると、それはあまり進んでいないという。 その主な理由は、研究者らが約 60 年間にわたって水素の流出を特定できていたにもかかわらず、これまで誰もそれを定量化し、現象の根底にあるメカニズムを説明できなかったからです。

チャンドラー氏によると、幸運と多くの努力により、ペンシルベニア州立大学主導の研究チームは、水素の流出がどのようにしてなぜ起こるのかを発見し、プロセスの最初の定量的測定を提供したという。 彼らはその発見を Nature Catalysis に発表しました。

チャンドラー氏は、この研究は水素の活性化と貯蔵をより深く理解し、開発する機会を提供すると述べた。 従来の水素貯蔵では、水素を液体のまま保つのに十分な温度に保つために大量のエネルギーが必要です。 しかし、研究チームは、独自のチタニア上金システムを使用することで、より少ないエネルギーを必要とする高温で、効果的、効率的かつ可逆的に水素分子を水素原子に分解できることを実証しました。これは、水素の流出を引き起こすために必要なプロセスです。

同論文の責任著者であるチャンドラー氏は、「水素の流出がどのように機能するのか、なぜ機能するのか、何が原因なのかを説明できるようになった」と述べた。 「そして、初めてそれを測定することができました。それが重要です。 それを定量化すれば、それがどのように変化するかを確認し、それを制御する方法を見つけ出し、それを新しい問題に適用する方法を見つけることができます。」

水素流出システムでは、水素ガスが反応して水素原子相当物、つまり陽子と電子に分割されますが、その配置は典型的な配置とはわずかに異なります。 このシステムでは、陽子は材料の表面に付着し、電子は半導体酸化物の表面近くの伝導帯に入ります。 チャンドラー氏によると、研究者らは、クリーン燃料や水素貯蔵として使用するための原子の変換など、より高度な化学応用をテストするためにそれらを使用する方法を学びたいと述べた。

「半導体片が重要なのは、水素原子相当物が表面に陽子を持ち、表面下に電子があるためです。それらはまだ互いに接近していますが、導電性表面によって分離されています」とチャンドラー氏は述べ、この小さな分離により多額の費用を支払う必要がないと説明した通常、電荷分離に必要なエネルギーペナルティ。 「ほとんどすべての吸着システムでは、吸着によって気体分子を固体に入れる際に必要なエネルギー損失を克服するために、有利な熱吸着が必要です。 それはエントロピー的に好ましくないのです。」

エントロピーは、プロセスを前進させるために必要な利用できない熱エネルギーを表します。 言い換えれば、エントロピーは、分子を固体状態に保つためのエネルギーが利用できないときに氷が溶けて水になるのと同じように、基質に分散するエネルギーです。 チャンドラー氏によれば、エネルギーにはバランスが必要であり、バランスに対するエントロピーの寄与を測定することは、これらのシステムではほぼ不可能であるという。