主要成果
インドの科学振興協会（Kolkata）、インド工科大学（IIT）Kharagpur、チェコのオストラバ大学、およびジャダブプール大学の研究チームが、水素燃料電池の効率を大幅に向上させる新しい酸ドープ金属有機構造体（MOF）を開発した。特に3Dオープンネットワーク構造を持つニッケルベースのMOFにリン酸をドープした材料は、従来の多くのMOFが保持していたプロトン伝導率の記録を塗り替える成果を上げた。また、プロトンが構造内部を極めて容易に移動できることを示す、0.16電子ボルトという非常に低い活性化エネルギーを記録した。
技術・詳細
研究チームはソルボサーマル法を用い、金属塩と有機リンカーを液体溶液中で混合し、密封ガラス瓶内で加熱することでブロック状の微結晶を合成した。具体的に設計・構築されたのは、2次元構造の「Ni-NDC-BPY」と、3次元オープンネットワーク構造の「Ni-NDC-BPYH」の2種類の単結晶ニッケルベースMOFである。これらの構造にリン酸を注入する「ドープ」処理を施すことで、性能を強化した。
プロトン伝導は、水素結合ネットワークを介してプロトンが跳躍する「グロットゥス機構」による固有経路と、水や酸などのキャリアが移動を助ける外因性経路の2種類がある。今回開発された3D MOFは、親水性の高い細孔と窒素含有部位を豊富に備えており、水分を惹きつけ密な水素結合ネットワークを形成しやすい特性を持つ。ここにリン酸をドープすることで、可動性の高いプロトンが放出され、イオン輸送のための追加経路が構築された。これにより、未ドープの材料に比べてプロトン伝導率が1桁向上したことが電気化学インピーダンス分光法によって確認されている。
耐久性についても優れた結果を示した。高温・高湿の過酷な条件下で4日間連続して耐久性試験を行ったところ、伝導率の低下はわずか6%に留まった。また、pH 4.0から10.0という広い範囲において化学的安定性が確認されている。リン酸のドープにより細孔が一部塞がれるため、水蒸気吸収量はわずかに減少したが、プロトン供与部位の大幅な増加によるメリットがそれを大きく上回ることが証明された。
背景・業界の文脈
プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）は、水素などの化学燃料を水と熱のみを副産物として電気に変換する、極めて有望なクリーンエネルギーシステムである。しかし、商用化への大きな障壁となっているのが内部材料である。従来は「Nafion」と呼ばれる商用ポリマー膜が広く利用されてきたが、この材料は高価で製造が困難な上、高温環境や低湿度条件下では性能が低下するという課題を抱えていた。
今後の展望
今回のブレークスルーは、燃料電池の商用化を制限していた高価なフッ素系膜に代わる、効率的かつ化学的に堅牢な代替案を提示した。インドがゼロエミッションの未来に向けて突き進む中、安価で耐久性のある固体プロトン伝導体の開発は、水素燃料車や定置用発電機を経済的に実現させるために不可欠である。今後は、工業的な大量生産に向けた製造スケールの拡大が研究の焦点となるが、このニッケルベースのフレームワークは次世代クリーンエネルギー技術の設計図となることが期待される。
毎週の技術動向レポートを無料でお届け
各分野の分析レポートを読む価値があるかどうか一目で判断できるインフォグラフィックをメールで受け取れます。
📢 メールマガジンに無料登録（週刊・技術動向レポート）
ご登録いただくと、Troy-Technical から週刊で技術動向レポート（メールマガジン）をお届けします。
- 取得したメールアドレス・選択分野は配信目的にのみ使用します。
- 第三者へ提供することはありません。
- 配信はいつでも解除できます（各メール下部のリンクから）。
詳しくはプライバシーポリシーをご覧ください。
登録は1分・いつでも解除できます
