ホウ化水素シートから低電位で水素を放出する手法を開発――水素貯蔵／放出材料としての応用に期待東京工業大ら

東京工業大学は2024年2月9日、同大学物質理工学院と大阪大学、筑波大学の研究グループが、二次元ナノ材料であるホウ化水素シートから、常温／常圧の状態で電気エネルギーのみで水素を放出する手法を開発したと発表した。水素は二酸化炭素を排出しないエネルギーとして期待されているが、水素キャリアとしてよく使われる高圧水素ガスボンベは爆発するリスクがあるため、安全な貯蔵、運搬、放出の方法が課題となっている。

ホウ化水素シートは軽元素のホウ素と水素の組成比が1:1のナノシートで、近年日本で発明された。質量水素密度は8.5wt%と極めて高く、水素ガスボンベに比べ軽量で安全な水素キャリアとして期待されている。

ホウ化水素シートから水素を放出させる手段としては、これまで加熱や強い紫外線の照射といった手法が報告されているが、今回、研究グループは、電位を印加するのみで水素を放出できることを確認した。しかも、水やギ酸などから水素を取り出すのに比べ、より小さな電気エネルギーで済む。

ホウ化水素シートは正に帯電した水素と負に帯電したホウ素から構成されており、研究グループは第一原理計算から、ホウ化水素シートにおける水素の反結合性軌道に外部電極から電子を注入することで水素を放出できると予想し、実証を試みた。

その結果、電位を印加しない自然電位の条件ではシートからの水素生成は確認できなかったが、電位を負に印加することでシートから水素が生成されることを確認。作用極に-1.0V（対Ag/Ag⁺電極）の電位を48時間印加することで、シートに含まれる水素をほぼ全量放出できることもわかった。

また、必要な電気エネルギーについて、水やギ酸の電気化学反応と比較。その結果、ホウ化水素シートは同じ電位の条件でも水分子やギ酸より水素生成速度が速く、オンセット電位も低いことがわかった。

各種水素源の水素生成速度とオンセット電位

さらに水素放出後のホウ化水素シートの構造を解析したところ、二次元のナノシート状の形状は維持され、負に帯電したホウ素種も確認できた。このことから、水素放出後もシートに水素イオン源を添加すれば、持続的に水素が生成できる可能性もある。

これらの結果から研究グループは、軽量で安全なホウ化水素シートが、常温／常圧条件下でも低エネルギーで水素放出が可能な水素キャリア材料であることが分かったとしている。今後、ホウ化水素シートの大量合成や製造プロセスの低コスト化、膜構造体の開発を進め、繰り返し使用が可能な水素生成システムの構築に向けて、さらに研究開発を進めていく。

今回の研究成果は2024年2月1日、科学誌「Small」に掲載された。

ホウ化水素シートから低電位で水素を放出する手法を開発――水素貯蔵／放出材料としての応用に期待　東京工業大ら