水とイオウ資源を利用した太陽エネルギー変換システムの構築

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14103016
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 田路 和幸 東北大学, 大学院・環境科学研究科, 教授 (10175474)
• 研究分担者: 井上 千弘 東北大学, 大学院・環境科学研究科, 助教授 (30271878) ; 篠田 弘造 東北大学, 大学院・環境科学研究科, 講師 (10311549) ; ジャヤデワン バラチャンドラン 東北大学, 大学院・環境科学研究科, 助教授 (80261593) ; 中村 崇 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (20112360) ; 山崎 仲道 東北大学, 大学院・環境科学研究科, 教授 (50036589)
• キーワード: 太陽光エネルギー / 水素製造システム / ストラティファイド光触媒 / 硫化水素 / イオウ化合物 / 水素

研究概要

本研究では、イオウ化合物である硫化水素の光分解により太陽光エネルギーを化学エネルギーである水素に変換し、そこで排出される副生成物としてのイオウを原料である硫化水素に戻すシステムの開発を目的としている。これは、言い換えれば光反応と硫化水素合成反応を組み合わせたイオウの酸化還元反応サイクルを軸として、結果的に太陽エネルギーを利用した水からの水素製造システムを完成させることになる。
本年度は、CdS微粒子光触媒を用いた太陽エネルギー変換ミニシステムを試作し、硫化水素を溶解したアルカリ水溶液から水素を得ることに成功した。ここで用いた光触媒は、バインダーを用いてストラティファイド微粒子CdSをプラスチック基板上に塗布したものである。太陽光の受光効率水素への変換効率は未だ最適化前の段階であるが、1平方メートルあたり1時間に最高約2リットルの水素を発生する能力をもつ。今後光触媒自身の高効率化とともに、太陽エネルギー変換ユニットとしての構造最適化を検討する予定である。新しい試みとして、炭素ナノ素材を光触媒担体として利用することを考え、本年度購入の超高真空高温加熱装置を用いてカーボンナノチューブの結晶性制御や表面改質に関する実験を行った。また、光触媒による水素生成反応に伴う溶液中でのイオウ種の状態変化をイオンクロマトグラフィーで分析調査し、硫化水素イオンのほか亜硫酸、硫酸、チオ硫酸イオンや単体硫黄などが複雑に関与した反応系であることが判明した。この結果を基に、硫黄還元菌を用いた微生物反応や還元雰囲気での水熱反応による硫化水素生成システム設計に向けた基礎実験を進めている。その中で、固体硫黄やチオ硫酸イオン含有溶液などから硫化水素生成が得られており、今後個々の反応プロセス解明による反応条件最適化や光エネルギー変換プロセスとの連携に向けての具体的な設計に取りかかる予定である。

研究成果

• [文献書誌] 荒井健男, 咲間修平, 佐藤義倫, 篠田弘造, B.ジャヤデワン, 田路和幸: "ストラティファイド素材と太陽光を利用した新しい水素製造システムの展望"資源と素材. 119・12. 713-720 (2003)
• [文献書誌] 荒井健男, 松本高利, 篠田弘造, 田路和幸: "下水処理場で発生する硫化水素を利用した水素製造"水素エネルギーシステム. 28. 8-14 (2003)
• [文献書誌] Y.Takahashi, K.Suto, C.Inoue, T.Chiba: "Regeneration of Hydrogen Sulfide Using Sulfate Reducing Bacteria for Photocatalytic Hydrogen Generation"Proc.of Int.Biohydrometallurgy Symp.IBS2003. (CD-ROM). (2003)
• [文献書誌] 須藤孝一, 高橋唯, 井上千弘, 千田佶: "硫酸還元菌によるポリ硫化物からの硫化水素生成"硫酸と工業. 56・10. 83-92 (2003)
• [文献書誌] Y.Sato, B.Jeyadevan, R.Hatakeyama, A.Kasuya, K.Tohji: "Electronic Properties of Radial Single-walled Carbon Nanotubes"Chem.Phys.Lett.. 385. 323-328 (2004)
• [文献書誌] H.Li, K.Tohji, N.Tsuchiya, Y.Oda, N.Yamasaki: "The Redox Reaction Behavior of Sulfer in the Hydrothermal Process, Hydrothermal Reactions and Techniques"Proc.7th Int.Symp.Hydrothermal Reactions (ISHR7). 225-231 (2003)