仲良しペアで作る太陽光水素工場

みなさんは、レゴブロックで遊んだことがありますか？違う種類のブロックをうまく組み合わせると、素敵な作品ができますよね。今日は、科学者たちが特別なブロックを使って、太陽の光からエネルギーを作る小さな工場を作った話をします。

この小さな工場は、太陽の光を使って水から水素というガスを作ります。水素は燃やしても地球を汚さない、とってもクリーンなエネルギー源なんです。未来の車や発電所で大活躍するかもしれません！

なぜ新しい方法が必要だったの？

これまで科学者たちは、この小さな工場を作るために洗剤のような物質（界面活性剤）をたくさん使っていました。ちょうど、砂場で砂と水をまぜるときに洗剤を入れると、砂がバラバラになってよく混ざるようなものです。

でも、この洗剤には問題がありました。それは、光を受け取ったエネルギーが移動する道をふさいでしまうことです。これは、せっかく電気を作っても、途中でコードが切れてしまうようなものです。

また、違う種類のブロック同士がうまく混ざり合わないという問題もありました。仲良く混ざらないと、小さな工場としての働きが悪くなってしまいます。

特別な「仲良しペア」の発明

そこで科学者たちは、PSとPSOSという2つの材料を作りました。この2つは、双子のようによく似た形をしています。ただ、PSOSには特別なパーツ（スルホン基）がついています。

この特別なパーツのおかげで、PSは「プラス」の電気を、PSOSは「マイナス」の電気をそれぞれ運ぶ役割を担います。まるで、リレー競走でバトンを渡すように、PSとPSOSはお互いに電気を素早く渡しあうことができるのです！

図1：PSとPSOSの構造と太陽光水素工場の仕組み

図1の説明： これは、PS（オレンジ色）とPSOS（黄色）を使って小さな工場を作る方法を示しています。左側は新しい「簡単沈殿法」という方法で、右側はPSとPSOSの分子の形と電気の流れる道筋を示しています。

仲良しペアはどうやって働くの？

PSとPSOSは形がとてもよく似ているので、とても仲良く混ざり合います。これは、りんごジュースとオレンジジュースを混ぜるのではなく、りんごジュースの中に少し色の違うりんごジュースを混ぜるようなものです。

科学者たちは、コンピューターを使ってPSとPSOSがどれだけ仲良く混ざるかを計算しました。その結果、これまでにない「ベストフレンド級」の仲の良さだとわかりました！

図2：PSとPSOSの混ざりやすさの研究

図2の説明： 上の部分（a）は、水とエチレングリコールという液体をPSとPSOSの上に落としたときの角度を測定している様子です。この角度が近いほど、2つの材料は似ていて混ざりやすいことを示しています。中央（b）はコンピューターでシミュレーションした結果で、オレンジ色のPSと黄色のPSOSが仲良く混ざり合っていることがわかります。下の部分（d～f）は、できあがった小さな工場の大きさと形を測定した結果です。

新しい「簡単沈殿法」のすごいところ

科学者たちは、PSとPSOSを混ぜて小さな工場を作る新しい方法を考え出しました。この方法を「簡単沈殿法」と呼びます。

この方法のすごいところは、洗剤のような余計な物質を使わないことです。ちょうど、きれいなケーキを作るときに、食べられない飾りを使わないようなものです。

洗剤を使わなくても、PSとPSOSは自然に小さな粒になり、約12ナノメートル（人間の髪の毛の約8000分の1）という超小さなサイズの工場ができました。この小さな工場がさらにつながり合って、クモの巣のような大きなネットワークを作ります。

図3：簡単沈殿法と従来の方法の比較

図3の説明： 上の部分（a, b）は、新しい簡単沈殿法と従来の方法の違いを示しています。中央部分（c）のグラフは、PSとPSOSの混ぜ方を変えたときの水素生成量を時間ごとに示しています。一番下の線（四角のマーク）は従来の方法で、一番上の線（丸のマーク）が新しい方法です。下の部分（d～h）は様々な条件での実験結果を示しています。

新しい方法で作った工場はどれくらいすごいの？

この新しい方法で作った小さな工場は、1グラムあたり1時間に251.2ミリモルという驚くべき量の水素を作り出しました。これは、従来の方法よりも2～18倍も効率が良いことを意味します！

また、光の効率（光を水素に変える割合）も最大で26.2%に達しました。これは、100個の光の粒（光子）のうち、約26個を使って水素を作れたということです。

図4：光からエネルギーが移動する様子の観察

図4の説明： これらのグラフは、超高速カメラで光がPSとPSOSの中をどのように移動するかを観察した結果です。（a, b）は新しい方法と従来の方法の比較で、新しい方法のほうが電気がスムーズに流れていることがわかります。（c）のグラフは、電気を運ぶ特別な粒子（ポラロン）が新しい方法ではより多く生まれることを示しています。（d～f）は実験の条件を変えたときの結果です。

洗剤がなぜ問題だったのか？

科学者たちは、なぜ洗剤を使わない方法がこんなにうまくいくのか詳しく調べました。そして、洗剤には2つの問題があることがわかりました：

1. 洗剤は、電気が流れる重要な場所（スルホン基）を覆い隠してしまう
2. 洗剤は、水素を作るために必要な物質（アスコルビン酸）が工場に近づくのを邪魔する

これは、電車の駅で切符売り場を隠してしまったり、駅への入り口を狭くしてしまったりするようなものです。そうすると、乗客（電子）はスムーズに移動できなくなりますよね。

図5：洗剤がもたらす問題の研究

図5の説明： 上のグラフ（a, b）は、様々な方法で作った小さな工場の水素生成能力を比較しています。紫色の棒グラフが新しい方法、他の色が洗剤を使った従来の方法です。中央（c）は洗剤を後から加えた実験の結果で、やはり水素生成量が減ることがわかります。（d）は各方法のコストを比較しています。下のグラフ（e, f）は、電気の流れる速さを測定した結果です。

コンピューターで見た洗剤の問題点

科学者たちは、コンピューターを使って、分子レベルで何が起きているのかを「見る」ことにも成功しました。その結果、洗剤の量が増えるほど、重要な部品（スルホン基）が隠れてしまうことが確認されました。

また、洗剤が多いほど、水素を作るために必要なアスコルビン酸が小さな工場に近づけなくなることもわかりました。これでは、材料が工場に届かないので、生産効率が下がってしまいます。

図6：コンピューターシミュレーションの結果

図6の説明： 左側の図は、コンピューターシミュレーションで洗剤（緑色の部分）がスルホン基（オレンジ色の点）を覆い隠す様子を示しています。（a）は洗剤が少ないとき、（b）は洗剤が多いときです。（c）のグラフは、洗剤の量によってアスコルビン酸（赤線）が工場に近づけなくなる様子を示しています。

この研究はなぜスゴイの？

この研究は、クリーンエネルギーである水素を太陽光から効率よく作る新しい方法を発見したという点で、とても重要です。

特に以下の点がすごいと言えます：

1. 洗剤なしで小さな工場（BHJP）を作る簡単な方法を開発した
2. 2つの材料（PSとPSOS）の最適な組み合わせを見つけた
3. 従来の方法より2～18倍も効率が良く、コストも安い
4. 洗剤が悪影響を与える詳しいメカニズムを解明した

この研究の成果は、将来の太陽光水素製造技術の発展に大きく貢献するでしょう。私たちが使うエネルギーをよりクリーンで持続可能なものにするための重要な一歩なのです。

まとめ：この研究でわかったこと

1. PSとPSOSという2つの似た材料を使うと、とても仲良く混ざり合う
2. 洗剤を使わない新しい「簡単沈殿法」で小さな工場が作れる
3. 新しい方法で作った工場は、水素生成効率が従来の2～18倍
4. 洗剤は電気の通り道をふさぐという問題があった
5. 洗剤は必要な材料（アスコルビン酸）を遠ざけるという問題もあった
6. 新しい方法はコストが安く、将来の大規模生産に適している

原論文の引用情報

Lin, W.C., Sun, Y.-E., Zhuang, Y.-R., Huang, T.-F., Lin, K.-J., Elsenewy, M.M., Yen, J.-C., Hsu, H.-K., Chen, B.-H., Chang, C.-Y., Chang, J.-W., Huang, H.-N., Li, B.-H., Jungsuttiwong, S., Haldar, T., Wang, S.-H., Lin, W.-C., Wu, T.-L., Chen, C.-W., Yu, C.-H., Su, A.-C., Lin, K.-H., Jeng, U.-S., Yang, S.-D., Chou, H.-H. (2024). Optimally Miscible Polymer Bulk-Heterojunction-Particles for Nonsurfactant Photocatalytic Hydrogen Evolution. Journal of the American Chemical Society, Published online December 20, 2024. https://doi.org/10.1021/jacs.4c13856