京大、イリジウム触媒を用いた安全で効率的な水素貯蔵システムを開発

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京都大学の藤田健一教授らの研究グループは2017年7月31日、イリジウム触媒を用いた効率的な水素貯蔵システムを開発したと発表した。有機ハイドライドの1つであるジメチルピラジンという化合物を用い、比較的穏やかな条件で、同一のイリジウム触媒を使って水素の貯蔵/取り出しができるという。

水素は、他のエネルギーに容易に変換でき、またその際二酸化炭素を発生しないことなどから、理想的なエネルギー源と目されている。しかし、爆発性があるため、安全かつ効率的に貯蔵する手法の開発が必要だ。その手法の中で、有機ハイドライドを用いて水素を有機分子内に結合させて蓄える貯蔵方法は、安定かつ取扱いの容易な状態で水素貯蔵できる仕組みとして注目されている。これまで研究されてきたN‐エチルカルバゾール等を用いたシステムでは、貯蔵時/取り出し時で別の触媒が必要となることや、貯蔵時に50気圧程度以上の高圧水素や大量の溶媒を用いなければならないといった問題があった。

今回同研究グループでは、容易に入手でき、また取り扱い面で大きな問題のない有機ハイドライド分子の候補になり得る化合物を探索。窒素を含むジメチルピペラジンという化合物にたどり着いた。この化合物は、これまで同研究グループが開発してきたイリジウム脱水素化触媒を用いることで、3分子の水素を放出してジメチルピラジンへ変換されることがわかった。また、逆に水素を貯蔵する水素化反応も、同じ触媒を用いて、従来より低圧の15気圧という条件下で進むことがわかった。

水素貯蔵と水素放出の反応を連続的に繰り返し行った結果では、少なくとも4回目までは触媒の性能低下がなく、水素の貯蔵と放出がほぼ100%の高効率で行えることがわかった。このとき、少量の反応溶媒(p-キシレンと水)を添加したが、その量は従来より大幅に削減され、水素貯蔵での効率性を高めることにつながっている。さらに、溶媒をまったく用いない場合でも、水素化の収率は78%と若干低下するが、可逆的な水素放出と水素貯蔵を達成できることがわかった。

今回開発されたシステムでは、有機ハイドライドと溶媒の合計100g当たり3.8g、溶媒を用いない場合は 4.1gの水素を貯蔵することができた。これらの数値は従来の窒素を含む有機化合物を用いた水素貯蔵システムより各段に高いが、実用的な水素貯蔵システムとするため、システム100g当たり5gを超える貯蔵量の有機ハイドライド分子など、さらに開発を進める必要があるとする。また、今回の貯蔵/取り出しを同一の触媒で実施できる仕組みは、例えば有機ハイドライドと溶媒を密閉し、水素燃料電池と接続してパッケージ化することで、危険な水素ガスを直接扱わずに電気エネルギーを与えるモジュールを設計するなどの発展が期待できるという。

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