化学修飾した磁鉄鉱で作った可視光光触媒で常温水電解水素製造

最初の磁針を作るのに採掘された鉱物magnetite(磁鉄鉱)は、北と南を感知することで、曇っていたり、暗い大気条件や水面下でもしっかり進めるように、渡り鳥と他の動物達によっても作られています。科学者チームは、可視太陽光を捕らえてこの光エネルギーを電流に変換するためにマグネタイトを修飾しています。この電流は、水を水素と酸素に分解するのに使えるかもしれません。チームは、鉄原子の3分の1をクロミウム(クロム)原子と置き替えることでこの物質を作り出す事に成功しました。

カーボンフットプリントゼロ

Modifying the composition of magnetite to enable it to convert sunlight into electrical current

チームは、Pacific Northwest National Laboratory(PNNL)パシフィック・ノースウエスト国立研究所、Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL)環境分子科学研究所(米エネルギー省科学局ユーザー施設)とArgonne National Laboratory アルゴンヌ国立研究所からの研究者を含んでいます。

カーボンフットプリントを持たない、水素などの可燃性燃料を作るために太陽パワーを利用できる物質を作り出すことは、新しいクリーンエネルギー源への、大変魅力的な進路を示しています。化石燃料の代替物がなければ、我々は、大気中の温室効果ガス蓄積に付随する有害な影響と海洋酸性化というおまけつきで、大気中と海中の二酸化炭素濃度を絶えず上昇させることに尽力することになります。

特異な半導体相

molecular beam epitaxy(分子線エピタキシー、分子線エピタキシャル成長法)で用意された酸化膜に含まれる、組成精度、純度、低欠陥密度を利用することで、チームは、室温を軽く超えてもフェリ磁性かつ太陽光電磁スペクトルの可視部の光を吸収する特異な半導体相が、酸化マグネシウム基板上で安定可能な事を明らかにしました。

この相は、magnetite(磁鉄鉱:Fe3O4)の3分の1の鉄 (Fe) を正確に、クロム (Cr)で置き替えると生じます。今回の研究は、クロムイオンCr3+が、spinel lattice(スピネル格子)のoctahedral sites(8面体サイト)で排他的に、このサイトの半分を占有する形で、置き換わることを明らかにしています。結果として、電化輸送機構には、格子中の8面体サイトと4面体サイトの鉄カチオン(陽イオン)間electron hopping (電子ホッピング)が絡んでいます。

光触媒活性

Having shown that chemically modified magnetite (Fe2CrO4) meets the basic criteria required for an air stable, visible light photocatalyst, the investigators plan to carry out experiments in which they will transfer freshly grown Fe2CrO4 surfaces to a photoelectrochemical cell under a dry nitrogen atmosphere to avoid picking up surface carbon contamination. There they will measure the photocatalytic activity for the oxygen evolution and hydrogen evolution reactions, as occur when is successfully used to break water down into useable fuel.

「化学修飾した磁鉄鉱が、大気安定性と可視光光触媒に要求される基本基準を満たす事を示した事で、研究者達は、表面が炭素汚染することを回避するために乾燥窒素雰囲気下で、彼等が新たに成長させた Fe2CrO4 表面を、光電気化学電池に移す実験を実施することを計画しています。その時に、彼等は、光エネルギーが、水を使用可能燃料に分解するのにうまく使われた時に起こる、酸素発生・水素発生反応の光触媒活性を測定するつもりでいます。」

クロムを使って化学修飾された磁鉄鉱 Fe2CrO4が、室温条件下でフェリ磁性を保ちつつ、太陽光可視部を吸収する、珍しいsemiconducting phase(半導体層)を作り出したことで、水素燃料の簡単な製造が可能になったみたいです。この分野は次々色々な技術が開発されていますが、その後実用化に至った技術はあるんでしょうか?