大学院工学研究科　森下政夫教授の研究チームが、白金ナノ粒子に匹敵する水素生成触媒活性をもつタングステン炭化物を世界で初めて開発しました。

安価な新触媒によって高価な白金と同等の効率で、水素を抽出することに成功したものであり、今後、次世代エネルギーとして注目される水素を、低コストで安全に利用する技術への応用が期待されます。

また、本研究に関連して、水素生成触媒の活性化に、磁性体効果が寄与していることを世界で初めて突き止めました。

この研究成果は、英国王立化学会誌に掲載されました。

背景はコバルトドープタングステン炭化物合成装置

環境保護の観点からも、化石燃料からクリーンエネルギーである水素に置き換えることは喫緊の課題となっていますが、水素は常温では気体ですので、液体のガソリンに比較して、わずか3,000 分の1しかエネルギー密度が有りません。すると、ガソリン車なみの航続距離のために、5 kgの水素を100 Lのタンクに充填する場合、1,000 気圧以上の圧力が必要となります。また、水素を液化するためには、マイナス253℃以下にする必要があり、個々の乗用車には適していません。そのため、水素を固体や液体の水素貯蔵物質(アンモニアボラン、ギ酸など)に変換して運搬する検討が進められています。

この水素貯蔵物質から、必要な時に気体の水素を発生させて燃料電池とするために触媒が必要となります。水素を生成するときの触媒としては、白金ナノ粒子が最も高性能ですが、白金は高価な貴金属であり、水素エネルギー関連の経済活動を促進するためには代替触媒の発見が不可欠でした。

そこで、森下教授は、白金の代替材料として、白金と類似した電子軌道を持ち半世紀前からその触媒活性が期待された「タングステン炭化物」に改めて注目しました。

タングステン炭化物と白金との本質的な違いとして、白金は高い磁化率を示すのに対し、タングステン炭化物は非磁性であることに着眼しました。そこで、タングステン炭化物に磁性を持たせるため、コバルトナノ結晶を混ぜてみたところ強磁性の性質が発現しました。

これを触媒に使うと、白金ナノ粒子に匹敵する水準の効率で水素を取り出せることが確認されました。（図1）

日本の地磁気の等高線の法線方向にマリアナ海溝があります。 日本の河川のうなぎはマリアナ海溝付近で産卵、稚魚のしらすうなぎは再び日本の河川に帰って来ます。生体物質が地磁気の等高線の法線を検知しているからであると言われています。

それに似て、白金は地磁気を感じることで自身の電子スピンとプロトンの核スピンを強調させて水素を高速に発生させるのかも知れません。

磁性が化学反応に及ぼす影響については未開拓の領域が残されています。この分野を開拓するためには、物理化学研究者以外に核力を研究する素粒子物理学研究者などの参入も必要であると考えています。

・工学研究科

・神戸新聞2021/8/25「次世代エネ活用に弾み　水素抽出高効率の新触媒　兵庫県立大院・森下教授が開発」

・毎日新聞2022/1/6「水素の生産をもっと低コストで　兵庫県立大が安価な新触媒開発」