北海道大学(北大)は、古くから知られるセラミックスである窒化チタン(TiN)のナノ微粒子膜が、室温で優れた水素透過性を持つことを発見したと発表した。
同成果は、北海道大学大学院工学研究院の青木芳尚 准教授らの研究グループによるもの。詳細は英国の学術誌「Nature Energy」に掲載された。
水素は医薬品やさまざまな化学製品の原料として利用されるだけでなく、近年では燃料電池のクリーンエネルギー源として注目されている。通常、水素は水の電気分解や天然ガスの改質などによって生成されるが、その過程で生じるプロセスガスには水素の他にもさまざまな成分が含まれてしまっており、プロセスガスから水素のみを選択的に分離することが必要となる。
水素を分離する最も簡単かつ効率よい方法は、水素のみを選択透過する固体膜を用いる方法だ。ニッケル、チタン、ニオブやバナジウムなどの合金は、水素を大量に吸収する性質をもっているため、これらの膜の片面に水素を含んだ高圧プロセスガスを充たし、反対側の面の圧力を下げると水素を分離することができる。
一方で、水素がこれらの合金を透過すると金属原子間の結合を切断してしまうため、いわゆる「水素脆化」により合金が腐食し、選択透過膜として長時間の使用はできない。金属材料の中で唯一、パラジウム合金は深刻な水素脆化を起こさないことが知られているが、パラジウムは希少金属であるため、大規模な応用や実用化は困難であった。これらのことから、金属の水素透過性に頼らない原理の水素透過膜材料が模索されていた。
今回の研究では、構造用セラミックス材料である窒化チタン(TiN)に着目。TiNの特徴として、TiN中の電子は一般的な金属酸化物に比べ高いエネルギー準位にある。したがって、水素が金属酸化物中に入ると、通常、より低い電子エネルギーをもつ金属酸化物へ水素から電子が移動することで、水素は電子を1つ失ってプロトン(H+)として安定化される。一方、水素がTiN中に入った場合には、より高い電子エネルギーを持つTiNから水素へ電子が移動し、電子を1つ獲得したヒドリドイオン(H-)として安定化すると予想される。
研究グループは、現在までに、TiN微粒子からなる緻密膜を厚さ200nmまで薄くすることに成功しており、厚さ5μmの銀パラジウム合金膜よりも、室温で50倍高い水素透過速度を実現することに成功した。
なお、研究チームは同成果によって、今後、各種化学プロセスにおける水素分離、特に光水分解や電気分解によって生成する水素と酸素の混合ガスから水素のみを常温分離することを可能とし、さらには家庭用や車載用の燃料電池への高純度水素分離供給を可能とすることが期待されるとしている。
