淡水化も精製も不要――海水から直接水素を製造する安価な手法を開発

オーストラリアのアデレード大学化学工学科の研究チームが、淡水化や精製、アルカリ化などの前処理プロセスなしに、天然の海水をそのまま原料として直接電気分解し、水素を安価に製造する手法を考案した。表面にCr₂O₃層を導入したCoOxを触媒としたものであり、高価な貴金属触媒を用いて、高度に精製された水を電気分解する現行の水素製造プロセスと同等の結果が得られることを示している。研究成果が、2023年1月30日に『Nature Energy』誌に論文公開されている。

燃料電池車や発電などの分野において、CO₂を排出しない次世代エネルギーとして期待されている水素は、化石燃料の部分酸化や水蒸気改質、または水の電気分解によって製造されている。特に、再生可能な電力を用いた水の電気分解は、製造工程においてもCO₂を排出しないことから、最もグリーンな水素製造法として期待されている。

現在実用化されている水電解法には、水酸化カリウムなど強アルカリ溶液を使用するアルカリ型水電解と、純水を使用する陽子交換膜（PEM）型水電解の2種類が主流となっているが、原料の水の前処理プロセスとして、淡水化や精製、脱イオン化、またはアルカリ化などが必要になっている。更に、プラチナやイリジウムなど高価な貴金属触媒を用いており、製造コストの増大を招いている。

研究チームは、このような前処理プロセスを必要とせず、また貴金属触媒を用いずに、地球上に無限に存在する海水を直接電気分解して水素を製造する手法の開発にチャレンジした。古くから知られているルイス酸（電子対受容体）として、水酸イオンを捕捉して水分子を分解する、Cr₂O₃層を遷移金属酸化物触媒であるCoOx表面に導入した触媒を用いて、海水の電気分解を試みた結果、おおよそ100%の効率で水素と酸素を安定的に生成することがわかった。

商用電解槽による実験で、60℃および電圧1.87Vの条件で、工業レベルで求められる電流密度1.0Acm-2を達成できることを明らかにした。これは、高度に精製された脱イオン水を原料とした、プラチナ／イリジウム触媒を用いた現行プロセスの結果に近いと、研究チームは説明する。更に、海水を用いる場合に懸念される、電極における腐食や有害な析出を防止できることも確認した。

化石燃料により生成されているエネルギーを、部分的または完全に代替する水素の需要は今後増大し、原料となる淡水資源が著しく不足することが予想されるが、「未だ開発初期段階であるものの、前処理プロセスまたはアルカリ添加なしに、直接海水を活用できるソリューションが得られ、既存の工業的純水電解槽と同等の結果が得られた」と、研究チームは説明する。現在、大きな電解槽を用いてシステムをスケールアップする研究を進めており、燃料電池やアンモニア合成用の水素製造など、実用プロセスに活用することを目指している。

淡水化も精製も不要――海水から直接水素を製造する安価な手法を開発