有機ハイドライドを用いて同一触媒での高効率な水素貯蔵・放出を実現 - 京大

京都大学は7月31日、イリジウム触媒を用いた効率的な有機ハイドライド水素貯蔵システムをもたらす化学反応を開発したと発表した。ジメチルピラジンという窒素を含んだ化合物を水素と反応させ、「ジメチルピペラジン」という物質として水素を蓄えることに成功した。脱水素化反応も確認。2つの反応を比較的温和な条件で実現したという。

同成果は、京都大学大学院人間・環境学研究科の藤田健一 教授らの研究グループによるもの。詳細は、ドイツの学術誌「Angewandte Chemie International Edition」に掲載された。

水素は、電気エネルギーをはじめとしてさまざまなエネルギーへの変換が可能で、その際にCO₂を生み出さず、重量に対して多くのエネルギーを取り出せるという特徴を持つ。しかし、爆発性があるために安全かつ効率的に貯蔵するための手法が必要とされ、研究開発が進められている。同研究グループは、水素を有機分子内に結合させて蓄える「有機ハイドライド」を用いた貯蔵方法に注目し、研究を続けていた。

今回、同研究グループは、有機ハイドライド分子の候補になり得る化合物を探索し、ジメチルピペラジンという化合物に着目。これまでに同研究グループが開発してきたイリジウム脱水素化触媒を用いることで、3分子の水素を放出しながら、ジメチルピラジンへと変換されることが分かった。

また、水素を貯蔵する水素化反応も同じイリジウム触媒を用いて、従来法よりも低圧の15気圧という条件下で進むことが判明した。さらに、水素貯蔵と水素放出の反応を連続的に繰り返し行ったところ、少なくとも4回目までの繰り返し実験では、触媒の性能が低下することなく、水素の貯蔵と放出がほぼ100%と高効率的に行えた。このとき、少量の反応溶媒(p-キシレンと水)を添加しているが、その量は従来法に比べて削減しており、水素貯蔵における効率性を高めることにつながっている。さらに、水素化の収率が78%と若干低下するものの、溶媒を用いない条件でも可逆的な水素放出と水素貯蔵を達成することが分かった。

具体的には、有機ハイドライド分子と溶媒の合計100gあたり、3.8gの水素を貯蔵できた。また、溶媒を用いない場合は4.1gだった。これらの数値は、従来報告されていた窒素を含む有機化合物を用いた水素貯蔵システムに比べれば高い数値ではあるものの、実用的な水素貯蔵システムへと発展させるためには、未だ及ばないという。

なお、同研究グループは「水素化反応と脱水素化反応を同一の触媒で実施できると、例えば、有機ハイドライド分子と触媒を密閉し、水素燃料電池と接続してパッケージ化することにより、水素ガスを直接扱うことなく電気エネルギーを与えるようなモジュールを設計できる可能性がある」とした上で、今後の発展を期待したいとコメントしている。