「人工葉」は空気と太陽光からエネルギーを生み出す

スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）の専門家たちは、植物の光合成プロセスからヒントを得て、上記のエネルギー変換装置を開発しました。

EFPL のケビン・シヴラ教授は、自然の光合成は空気中の二酸化炭素を太陽光と結合させて水素と酸素に変えることによって起こると説明しています。その結果、太陽光を化学的な形で効果的に蓄える砂糖が生まれます。そこでシヴラ氏と彼の同僚たちは、同じことをやりたいと考えました。つまり、空気中の太陽光と水蒸気を取り込み、その太陽光エネルギーを水素として貯蔵するのです。

シヴーラ氏とその同僚の研究は、学術誌「Advanced Materials」に詳しく紹介されたばかりです。彼らは、半導体材料で覆われたグラスファイバー製の小さな透明なマイクロチップを考案しました。この装置は太陽光を利用して水を水素と酸素に分解します。

「日光はたっぷりありますが、太陽はいつも輝いているわけではありません。したがって、将来の使用に備えて太陽光を蓄える方法が必要です。そして、太陽光を水素の形で貯蔵することが、これを実現するための最善の選択肢です」とシヴラ教授はさらに説明した。

スイスのチームの装置は、半導体技術と独自のコンポーネント、つまり3つの重要な機能を備えた電極を組み合わせています。これらの電極は人工の葉のようなもので、空気中の水との接触を最大限にする多孔質構造を持ち、導電性があります。

おそらく電極の最も重要な特徴は、その構造、つまり 3D グラスファイバー メッシュです。つまり、電極は透明になり、半導体コーティングに到達する太陽​​光の量が最大化されます。

この装置は、水の酸化から酸素が生成される光陽極、陽子を光陰極に輸送し、そこで陽子が水素に還元される膜、そして光電気化学反応を起こして水素を生成する半導体コーティングという 3 つの主要部分で構成されています。

人工光合成はこれまでにも行われてきたが、EFPL の新技術は、空気から水分を吸収することと、太陽光による化学反応にエネルギーを供給することという 2 つの問題を解決します。研究チームは、液体の水の代わりに水分を使用するという、より実用的な水分吸収方法も発見した。そのおかげで、「人工葉」は、光を使って感光性材料や液体に浸した半導体を刺激し、化学反応を起こすといった、現在の光電子デバイスが抱える問題を回避することができる。

実際には、液体ベースの光電気化学デバイスは製造が難しく、コストもかかるため、スケールアップが困難です。

「他のアプリケーションに簡単に拡張できるシンプルな方法を使用するようにしました。しかし、スケールアップ段階に進む前に、デバイスの性能を向上させるためのさらなる研究を行う必要がある」とシヴラ教授は強調した。

彼のチームは現在、「人工葉」デバイスの機構、化学、効率の最適化に注力している。太陽光から水素への変換とその安定性を改善できれば、砂漠のような乾燥した環境や湿気が多く日光が当たらない場所など、あらゆる場所に人工葉システムを設置することができるようになる。

シヴーラ氏によると、太陽エネルギーを水素のような化学結合に変換することは、カーボンニュートラル経済に移行し、環境への影響を減らすことを可能にする実用的なアプローチです。