ナノテクノロジーのエネルギー応用

世界のエネルギー需要が増加し続けるにつれ、エネルギーを生成および貯蔵するためのより効率的で持続可能な技術の開発がますます重要になっています。ライス大学のウェイド・アダムス博士によると、エネルギーは今後50年間で人類が直面する最も差し迫った問題であり、ナノテクノロジーはこの問題を解決する可能性を秘めています。[ 1 ] 比較的新しい科学工学の分野であるナノテクノロジーは、エネルギー産業に大きな影響を与える可能性を示しています。ナノテクノロジーは、一次元の長さが100ナノメートル未満の粒子を含む技術と定義されています。例えば、ウイルス粒子1個の幅は約100ナノメートルです

科学技術の分野では、ナノテクノロジーを消費者向け製品の開発に活用する方法の開発が既に始まっています。これらの製品の設計によって、照明や暖房の効率向上、蓄電容量の増加、エネルギー使用に伴う汚染物質の削減といった効果が既に確認されています。こうしたメリットこそが、ナノテクノロジーの研究開発への資本投資を最優先事項としている理由です。

エネルギー分野で一般的に使用されるナノ材料

エネルギーに関連するナノテクノロジーの重要な分野の一つに、ナノファブリケーションがあります。これは、ナノスケールでデバイスを設計・製造するプロセスです。100ナノメートル未満のデバイスを製造できるようになることで、エネルギーを捕捉、貯蔵、転送する新たな方法の開発に多くの可能性が開かれます。ナノファブリケーション技術の精度向上は、世界が現在直面している多くのエネルギー関連問題の解決に不可欠です。

グラフェン系材料

グラフェン系材料のエネルギー貯蔵への利用には大きな関心が寄せられています。グラフェンのエネルギー貯蔵への利用に関する研究はごく最近に始まりましたが、関連する研究の成長率は急速です。[ 2 ]

グラフェンは、軽量、化学的不活性、低価格といった特性から、近年、エネルギー貯蔵材料として有望視されています。グラフェンは炭素の同素体であり、六角格子状に配列した炭素原子の二次元シートとして存在します。研究界では「グラフェン」と呼ばれるグラフェン関連材料群は、グラフェンの構造的または化学的誘導体で構成されています。[ 2 ]化学的に誘導されるグラフェンの中で最も重要なのは、グラフェン酸化物（グラファイト酸化物の単層として定義されます。[ 3 ]グラファイト酸化物は、グラファイトを硫酸、硝酸ナトリウム、過マンガン酸カリウムの混合物などの強力な酸化剤と反応させることで得られます。 [ 4 ]）は、通常、グラファイトを酸化グラファイトにし、その後剥離させることで製造されます。グラフェンの特性は、製造方法に大きく依存します。例えば、グラフェン酸化物をグラフェンに還元すると、同じく原子1個分の厚さのグラフェン構造が得られますが、ナノホールやストーン・ウェールズ欠陥などの欠陥が高濃度に含まれます。[ 5 ]さらに、比較的高い電気伝導性と可変構造を持つ炭素材料は、硫黄の改質に広く使用されています。多様な構造の硫黄–炭素複合体が合成され、純粋な硫黄よりも著しく改善された電気化学的性能を示しており、これはバッテリー設計に重要です。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]グラフェンは、近年広く研究されている高性能Li-Sバッテリーの硫黄カソードの改質に大きな可能性を秘めています。[ 2 ]

シリコンベースのナノ半導体

シリコンベースのナノ半導体は太陽エネルギーにおいて最も有用な用途を有しており、京都大学など多くの場所で広範に研究されてきました。シリコンナノ粒子を利用して、電磁スペクトルからより広い範囲の波長を吸収します。これは、表面に多数の同一で等間隔のシリコン棒を配置することで実現できます。また、最良の結果を得るには、間隔の高さと長さを最適化する必要があります。このシリコン粒子の配置により、太陽エネルギーが多くの異なる粒子に再吸収され、電子が励起され、その結果、多くのエネルギーが熱に変換されます。そして、その熱は電気に変換されます。京都大学の研究者たちは、これらのナノスケール半導体は、通常の太陽電池と比較して少なくとも40％効率を向上させることができることを示しました。[ 10 ]

ナノセルロース系材料

セルロースは地球上で最も豊富な天然ポリマーです。現在、ナノセルロースをベースとしたメソポーラス構造、フレキシブル薄膜、繊維、ネットワークが開発され、太陽光発電（PV）デバイス、エネルギー貯蔵システム、機械エネルギーハーベスター、触媒部品などに利用されています。これらのエネルギー関連デバイスにナノセルロースを組み込むことで、環境に優しい材料の割合が大幅に増加し、関連する環境問題への対処において非常に有望です。さらに、セルロースは低コストと大規模化の可能性を秘めています。[ 11 ]

エネルギーにおけるナノ構造

一次元ナノ材料

一次元ナノ構造は、リチウムイオン電池の改善が必要な分野であるエネルギー貯蔵システムのエネルギー密度、安全性、サイクル寿命の向上に有望であることが示されています。これらのナノ構造は、イオンと電子の二連続輸送経路が短いため、主に電池の電極に使用され、電池性能が向上します。[ 12 ]

さらに、1Dナノ構造は二重層構造によって電荷蓄積量を増加させることができ、また、擬似容量性表面酸化還元反応が速いため、スーパーキャパシタにも応用できます。今後、これらの材料の新たな設計と制御可能な合成法が、より深く開発されるでしょう。1Dナノ材料は環境に優しく、費用対効果も優れています。[ 13 ]

二次元ナノ材料

2次元ナノ材料の最も重要な特徴は、その特性を精密に制御できることです。これは、2次元ナノ材料をナノ構造上で容易に改変・加工できることを意味します。また、2次元ナノ流体チャネルと呼ばれる非層状材料では、層間空間を操作することも可能になります。さらに、2次元ナノ材料は多孔質構造に加工することができ、容易な電荷輸送と質量輸送を応用することで、エネルギー貯蔵や触媒用途に利用することができます。[ 14 ]

2Dナノ材料にも課題がいくつかあります。材料の特性、例えば活性や構造安定性などを変更すると、その特性が損なわれる可能性があります。例えば、欠陥を生じさせることで活性部位の数が増え、触媒性能が向上する可能性がありますが、同時に副反応も起こり、触媒構造が損傷する可能性があります。また、層間拡張によって触媒反応におけるイオン拡散障壁は低下しますが、同時に構造安定性も低下する可能性があります。そのため、性能と安定性の間にはトレードオフの関係があります。2つ目の課題は、設計手法の一貫性です。例えば、層間空間やエネルギー貯蔵デバイスにおける触媒の主な構造はヘテロ構造ですが、これらの構造は触媒反応や電荷貯蔵メカニズムに関する理解が不足している可能性があります。2Dナノ材料設計に関するより深い理解が求められます。なぜなら、基礎知識はこれらの構造を設計するための一貫性と効率性につながるからです。3つ目の課題は、これらの技術の実用化です。 2Dナノ材料は、保管および加工中に本質的に不安定であるため、研究室規模と産業規模の応用には大きな違いがあります。例えば、多孔質の2Dナノ材料構造は充填密度が低いため、高密度のフィルムに充填することが困難です。これらの材料を産業規模で応用するための新たなプロセスの開発が現在も進められています。[ 14 ]

用途

リチウム硫黄系高性能電池

リチウムイオン電池は現在、最も人気のある電気化学的エネルギー貯蔵システムの一つであり、携帯用電子機器から電気自動車まで幅広く利用されている。[ 15 ] [ 16 ]しかし、リチウムイオン電池の重量エネルギー密度は限られており、化石燃料よりも低い。リチウムイオン電池よりはるかに高いエネルギー密度を持つリチウム硫黄（Li-S）電池は、近年世界的に注目を集めている。[ 17 ] [ 18 ]中国国家自然科学基金（助成番号21371176と21201173）と寧波科学技術イノベーションチーム（助成番号2012B82001）の研究グループは、グラフェン/硫黄/炭素ナノ複合多層構造からなるナノ構造ベースのリチウム硫黄電池を開発した。硫黄のナノ改質は電池の電気伝導性を高め、硫黄カソードでの電子輸送を改善する。化学的に還元されたグラフェンシートの両面にナノサイズの硫黄を積層し、その表面をアモルファスカーボン層で覆った多層構造（G/S/C）を有するグラフェン/硫黄/炭素ナノ複合体を設計し、作製に成功した。この構造は、高い導電性と硫黄の表面保護を同時に実現し、優れた充放電特性をもたらす。このG/S/C複合体は、リチウム硫黄電池の高性能正極材料として有望な特性を示している。[ 19 ]

太陽電池におけるナノ材料

人工ナノ材料は、現世代の太陽電池の重要な構成要素である。[ 20 ]今日の最も優れた太陽電池は、異なるエネルギーの光を吸収するために積み重ねられた数種類の半導体の層を有しているが、それでも太陽エネルギーの約40%しか利用できない。市販の太陽電池の効率ははるかに低い（15～20%）。ナノ構造化は、既存の太陽光発電（PV）技術の効率を改善するために使用されており、例えば、アモルファスシリコンデバイスの電流収集の改善、[ 21 ]色素増感太陽電池のプラズモニック増強、[ 22 ]結晶シリコンの光トラッピングの改善などが挙げられる。[ 23 ]さらに、ナノテクノロジーは、ナノ材料の柔軟なバンドギャップを利用すること、[ 24 ]または太陽光発電デバイスの指向性および光子の脱出確率を制御することによって、光変換効率を高めるのに役立つ可能性がある。[ 25 ]二酸化チタン（TiO 2 ）は、低コスト、環境無害性、豊富な多形、良好な安定性、および優れた電子的および光学的特性のため、過去数十年間に太陽電池で使用するために最も広範に研究されてきた金属酸化物の1つです。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]しかし、その性能は TiO 2材料自体の特性によって大きく制限されます。1つの制限はバンドギャップが広く、TiO 2は太陽スペクトルのわずか5％未満を占める紫外線（UV）にしか敏感ではありません。[ 31 ]最近、コアシェル構造のナノ材料は、個々のコンポーネントを機能システムに統合したもので、分離されたコンポーネントでは得られない改善された物理的および化学的特性（安定性、非毒性、分散性、多機能性など）を示すため、大きな注目を集めています。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] TiO 2の場合ナノ材料に対して、このコアシェル構造の設計は、それらの欠点を克服し、性能を向上させる有望な方法を提供するだろう。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]単独のTiO2材料と比較して、コアシェル構造TiO2複合材料は、調整可能な光学的および電気的特性を示し、さらに、ユニークなコアシェル構造に由来する新しい機能も示す。[ 31 ]

ナノ粒子燃料添加剤

ナノ材料は、エネルギー消費を削減するために様々な方法で使用できます。ナノ粒子燃料添加剤は、炭素排出量の削減や燃焼燃料の効率向上にも非常に役立ちます。酸化セリウムナノ粒子は、表面積と体積の比が大きいため、未燃焼炭化水素やその他の微粒子排出物の分解を触媒するのに非常に優れていることが示されています。また、エンジンの燃焼室内の圧力を下げてエンジン効率を高め、NOx排出量を抑制する効果もあります。[ 44 ]炭素ナノ粒子の添加は、ジェット燃料の燃焼速度と着火遅れを改善することにも成功しています。 [ 45 ]ある研究では、バイオディーゼル燃料とディーゼル燃料への鉄ナノ粒子添加剤は、燃料消費量と炭化水素の体積排出量を3～6%、一酸化炭素を6～12%、窒素酸化物を4～11%減少させることも示されています。[ 46 ]

燃料添加剤の環境と健康への影響

ナノマテリアルは燃料のエネルギー効率を様々な方法で向上させることができるが、その使用における欠点は、ナノ粒子が環境に及ぼす影響である。燃料に酸化セリウムナノ粒子添加剤を添加すると、微量のこれらの有毒粒子が排気ガス中に排出される可能性がある。ディーゼル燃料に酸化セリウム添加剤を添加すると、ラットにおいて肺の炎症と気管支肺胞洗浄液の増加を引き起こすことが示された。[ 44 ]これは、特に道路交通量の多い地域では、これらの粒子が蓄積して健康への悪影響を引き起こす可能性が高いため、懸念される。ディーゼル燃料の不完全燃焼によって生成される天然のナノ粒子も、ディーゼル排気ガスの毒性の大きな要因である。燃料に人工ナノ粒子を添加することで、燃焼による有毒粒子排出量が減少するかどうかを判断するには、さらなる研究が必要である。[ 44 ]

経済的利益

エネルギーの捕捉、転送、貯蔵におけるナノテクノロジーの利用への比較的近年の移行は、社会に多くの経済的なプラスの影響を与えており、今後も引き続き貢献していくでしょう。ナノテクノロジーが消費者製品の科学者やエンジニアに提供する材料制御は、ナノテクノロジーの最も重要な側面の一つであり、様々な製品の効率向上を可能にします。ナノテクノロジーを用いたエネルギーの捕捉と貯蔵の効率化は、ナノ材料の開発が進むにつれて製造コストが低下するため、将来的にはエネルギーコストの削減につながる可能性があります。

現在のエネルギー生成における大きな課題は、燃焼の副産物として発生する廃熱です。その典型的な例は内燃機関です。内燃機関はガソリンのエネルギーの約64%を熱として失っており、この点を改善するだけでも大きな経済的効果をもたらす可能性があります。[ 47 ]しかし、この点において内燃機関を改良することは、性能を犠牲にすることなく非常に困難であることが判明しています。ナノテクノロジーを用いて燃料電池の効率を向上させることは、分子レベルで調整された触媒、高分子膜、そして改良された燃料貯蔵装置 を用いることで、より実現可能と思われます。

燃料電池、特に水素燃料電池を動作させるには、水素原子の陽子から電子を分離するための貴金属触媒（通常は非常に高価な白金）が必要です。 [ 48 ]しかし、このタイプの触媒は一酸化炭素反応に非常に敏感です。これに対処するために、アルコールまたは炭化水素化合物を使用してシステム内の一酸化炭素濃度を低下させます。ナノテクノロジーを用いることで、ナノファブリケーションによって不完全燃焼を抑制し、一酸化炭素の量を減らしてプロセスの効率を向上させる触媒を設計できます。

参照

参考文献

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