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Feb 16, 2024

研究者たちは海水を考案する

エネルギー省の SLAC 国立加速器研究所とスタンフォード大学の研究者は、オレゴン大学とマンチェスターメトロポリタン大学の共同研究者とともに、

エネルギー省のSLAC国立加速器研究所とスタンフォード大学の研究者は、オレゴン大学とマンチェスターメトロポリタン大学の協力者とともに、海水耐性のあるバイポーラ膜電解槽を開発した。 この設計は、有害な副生成物を大量に生成することなく水素ガスを生成することに成功した。

ジュール誌に掲載された彼らの研究結果は、低炭素燃料を生産する取り組みを前進させるのに役立つ可能性がある。

未処理の水源からの H2 と O2 の生成は、現代のプロトン交換膜ベースの電気分解で必要とされる超純水の有望な代替手段となります。 電気透析や CO2 電気分解でよく使用される双極膜ベースのデバイスは、イオン輸送と有利な微小環境の強制を同時に仲介することにより、不純水の電気分解を促進します。 ここでは、直接海水電気分解におけるそれらの応用を報告します。 海水から Na+ や Cl- などのイオン種が導入されると、バイポーラ膜電解槽ではアノードでの Cl- から腐食性 OCl- への酸化がファラデー効率 (FE) 0.005% に制限されるのに対し、プロトン交換膜電解槽では同等の動作条件では、最大 10% の FE から Cl- への酸化が見られます。 バイポーラ膜電解槽による Cl- 酸化の効果的な緩和は、プロトン交換膜アセンブリよりも 140 倍長期の海水電解を可能にする能力を裏付けており、耐久性のある海水電解への道が示唆されています。

SLACおよびスタンフォード大学博士研究員ジョセフ・ペリーマン氏によると、チームは海水系にとって最も有害な元素である塩化物を制御することから設計を開始したという。

海水を水素ガスに変換するチームの双極膜システムの図。 （藤川ニーナ／SLAC国立加速器研究所）

海水には水から水素への反応を妨げる反応種が数多く存在し、海水を塩辛くする主な原因の 1 つは塩化ナトリウムです。 特に、陽極に到達して酸化する塩化物は電気分解システムの寿命を縮め、塩素分子や漂白剤を含む酸化生成物の毒性により実際に安全でなくなる可能性があります。

実験では双極膜を使用することで、水素ガスの生成に必要な条件を実現し、塩化物が反応中心に到達するのを軽減します。

理想的な膜システムは 3 つの主要な機能を実行します。海水から水素と酸素ガスを分離します。 他の海水イオンを制限しながら、有用な水素および水酸化物イオンのみを移動させるのに役立ちます。 そして望ましくない反応を防ぐのに役立ちます。 これら 3 つの機能をすべて同時に実現することは困難であり、チームの研究は、これら 3 つのニーズすべてを効率的に組み合わせることができるシステムを探索することを目的としています。

具体的には、彼らの実験では、正の水素イオンである陽子が膜層の 1 つを通過して、収集できる場所まで移動し、負に帯電した電極と相互作用して水素ガスに変換しました。 システムの 2 番目の膜は、塩化物などのマイナスイオンのみを通過させます。

スタンフォード大学のダニエラ・マリン氏は、追加の安全策として、膜の1つの層には膜に固定されたマイナスに帯電した基が含まれており、これにより塩素などの他のマイナスに帯電したイオンが移動すべきではない場所に移動することが難しくなったと述べた。化学工学の大学院生で共著者。 負に帯電した膜は、チームの実験でほぼすべての塩化物イオンをブロックするのに非常に効率的であることが証明され、そのシステムは漂白剤や塩素などの有毒な副産物を生成することなく動作しました。

研究者らは、海水から水素への膜システムの設計に加えて、海水イオンがどのように膜を通過するかについての一般的な理解も深まったと述べた。 この知識は、科学者が酸素ガスの生成などの他の用途向けに強力な膜を設計するのに役立つ可能性があります。