日本產業技術綜合研究所(AIST)開發出利用0.9V以下之電解電壓以水製成氫的技術。為實現碳中和的目標,利用再生能源製造的綠氫備受矚目,但綠氫是以電解方式製造,因此高用電成本成了待解課題。AIST從過往至今持續投入光觸媒-電解複合系統的水分解法研究。這項手法結合了光觸媒反應與電解反應,因此能減少耗電量。AIST也曾經開發了有效提升光觸媒反應速度的表面處理手法,但尚未投入與電解結合進行製氫的整體系統開發。
此次的光觸媒-電解複合系統使用了水解時常用的PEM電池(Cell),並在片材上固定光觸媒粉末,開發出只循環溶液的流通型反應裝置。對裝置的PEM電池施加0.9V電壓且同時對光觸媒反應槽照射光線後,確實觀察到由氫氣生成形成的電流。接著製作出330平方公分的光觸媒片,以排水集氣法捕集氫氣與氧氣。AIST僅以光照射光觸媒片,並以Fe2+離子的生成速度評估了光觸媒的反應速度。結果Fe2+離子有效率地生成並產生了符合化學計量的氧氣。光能轉換到化學能的轉換效率為0.31%,可與既有懸濁狀態評估下的效率匹敵。AIST接著在停止照光後以200 mA恆電流(CC)模式進行電解反應,結果在低於0.9V的施加電壓下電流開始流動,並且產生了與化學計量相對應量的氫氣。另已確認透過光觸媒反應儲存於鐵鹽水溶液中的化學能即使放置於大氣環境下2個月也未減少,可望因應需求的時間生成氫氣。
此外,利用水浴將液體溫度控制於35℃,並以模擬太陽光照射於含有10000 μmol之Fe3+離子的鐵鹽水溶液中沈積的光觸媒。照光240小時後,約8成的Fe3+離子因光觸媒反應轉換成Fe2+離子。AIST以此生成量為基礎,將觸媒予以再利用進行了相同的光觸媒反應與評估。反復42個循環後,Fe2+離子生成量在經過共計1萬80個小時的光照實驗後依然維持且無劣化。該總照射量相當於在日本戶外陽光照射的7年份。另在實際以太陽光照射的戶外實測中,AIST依據測試當天日照量的推移進行了氫氣生成時的電流值觀察,確認生成的氫氣量與通電量推估值相當接近,顯示投入電力幾乎都利用於氫氣生成。今後AIST計畫展開大型驗證與詳細製氫成本之試算,並以改善光觸媒性能為方向,投入利用長波長光之光觸媒反應開發。