JP2001270701A - 水の分解方法 - Google Patents

水の分解方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ６００℃前後の温度領域で鉄酸化物の合成反
応の結果として水を分解して水素を製造し、ついで合成
された鉄酸化物の分解反応から酸素を発生させる。 【解決手段】 金属亜鉛と、マグネタイトとを水と反応
させ、下式（１）にしたがって、 ３Ｚｎ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2Ｏ＝３ＺｎＦｅ2Ｏ4＋４Ｈ2
（１） 反応生成物として、ＺｎＦｅ2Ｏ4が合成し、水素を発生
させる。次に、合成されたＺｎＦｅ2Ｏ4を式（２）にし
たがって、 ３ＺｎＦｅ2Ｏ4＝３Ｚｎ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋２Ｏ2
（２） 分解し、分解反応の生成物として酸素を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水を分解させる方
法、特に鉄酸化物の合成反応によって水素を生じさせ、
さらにその合成物の分解反応から酸素を発生させる水の
分解方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】水素は、燃料、特に液体燃料またはガス
燃料の原料あるいは物質製造の原料として重要である。
また、化石燃料に依存しないクリーンエネルギーシステ
ムを実現するうえにも重要な意味を有している。
【０００３】水素エネルギーシステムによれば、水を原
料として水素を製造することにより、水素が燃料として
再び水に帰るという自然サイクルの枠内でエネルギーを
利用することができる。
【０００４】現在水素の大部分は、主にナフサから水蒸
気改質法を用いて製造されている。この方法は、 ２ＣｎＨｍ＋４ｎＨ2Ｏ→２ｎＣＯ2＋（ｍ＋ｎ）Ｈ2・・・・（１） なる反応で化石炭化水素ＣｎＨｍから水素を製造する方
法であるが、化石炭化水素を水素製造の原料として使用
する限り、水素を一次エネルギー源として利用する意義
はない。水を原料として水素を製造する方法としては既
に幾つかの方法が知られており、その中でも、熱化学サ
イクル法、光化学サイクル法などが革新的な方法である
といわれている（商品大辞典 東洋経済新報社 Ｐ８
４，昭５１参照）。
【０００５】熱化学サイクル法の最も簡単な方法には、
酸化還元法がある。この方法は、酸化しやすい金属を水
蒸気の中に入れて酸化物を作り、水素を発生させ、次に
酸化物を加熱還元してもとの金属とする方法である。こ
の方法によるときには、第二段の還元プロセスに多量の
エネルギーが入用である。そのほか、金属酸化物を還元
処理し、これを水蒸気と作用させて水素を発生させる方
法がある。この方法を反応式で示せば式（２），式
（３）のとおりである。 ＭＯox ＝ ＭＯred ＋ １／２Ｏ2 ・・・・・（２） ＭＯred ＋ Ｈ2Ｏ ＝ ＭＯox ＋ Ｈ2・・・・・（３）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、式（２）の
反応には、１２００〜２３００℃の高温雰囲気が必要で
あり、また、反応後、反応がもとに戻らないようにクエ
ンチ処理が必要であることから、そのエネルギー損失は
大きい。
【０００７】光化学サイクル法は、分子分解やイオン分
離反応を熱の代りに光を用いて反応を進めようとするも
ので、太陽エネルギーを利用しようというソーラケミス
トリーの試みの一つであるが、エネルギーの利用効率に
問題がある。これに対して、近年、高温ソーラケミスト
リーに関する技術開発の試みに注目されるようになって
きている。
【０００８】高温ソーラケミストリーとは、太陽光を集
光し、高温において熱化学反応を進行させる技術であ
る。高温ソーラケミストリーには、太陽集光による高温
化学反応による太陽／化学エネルギー変換という従来の
高温ソーラケミストリーとは異なる新しい研究分野が開
かれつつあり、国際エネルギー機構の太陽エネルギープ
ログラムの重要な位置を占めつつある。
【０００９】高温ソーラケミストリー技術を用いて水素
製造熱化学サイクル法を実施できれば、まさしく水素経
済あるいは水素エネルギーシステムを実現して省エネル
ギー、無公害エネルギー工業の実現が約束される。
【００１０】しかし、現在の高温ソーラケミストリーに
よる水素製造熱化学サイクル法は、式（２）の反応を太
陽炉反応に用いるために、極めて高温（１２００℃〜２
３００℃）が必要であり、かつクエンチを必要とするた
めにエネルギー損失が大きく、実用レベルには程遠いの
が実情である。
【００１１】本発明の目的は、６００℃前後の温度領域
で鉄酸化物の合成反応の結果として水を分解して水素を
製造する方法並びに合成された鉄酸化物の分解反応から
酸素を発生させる水の分解方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による水分解方法においては、金属亜鉛と、
マグネタイトとを水と反応させ、その反応生成物として
水素を発生させる方法である。
【００１３】また、金属亜鉛とマグネタイトとをモル比
１．５で混合して６００℃で水蒸気と反応させるもので
ある。
【００１４】また、金属亜鉛と、マグネタイトとを水と
反応させる反応は、化学式、 ３Ｚｎ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2Ｏ＝３ＺｎＦｅ2Ｏ4＋４Ｈ2 にしたがって進行し、反応生成物として、ＺｎＦｅ2Ｏ4
が合成される反応である。
【００１５】また、前記反応によって生ずる水素は、Ｚ
ｎの酸化から生成する水素に加え、さらに、Ｆｅイオン
がすべて３価に酸化されることによって生じる水素であ
る。
【００１６】また、合成されたＺｎＦｅ2Ｏ4を分解し、
分解反応の生成物として酸素を発生させるものである。
【００１７】また、合成されたＺｎＦｅ2Ｏ4は、式 ３ＺｎＦｅ2Ｏ4＝３Ｚｎ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋２Ｏ2 にしたがって分解し、Ｆｅ3+の還元と共に解放される酸
素原子に伴って、ＺｎＦｅ2Ｏ4中のＺｎ原子が単独で揮
発する反応である。
【００１８】また、合成されたＺｎＦｅ2Ｏ4の分解反応
のエネルギーは、太陽エネルギーを熱源として供給する
ものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を示す。
本発明においては、金属Ｚｎと、マグネタイト（Ｆｅ3
Ｏ4）を水蒸気に反応させてＺｎＦｅ2Ｏ4を合成し、Ｈ2
ガスを発生させる。その反応のメカニズムは、以下の通
りである。すなわち、
【００２０】一般に固気反応を用いてＺｎＦｅ2Ｏ4を合
成するには、新たにスピネル構造を形成するための要件
として酸化亜鉛とヘマタイトとの定比混合物を空気中で
９００℃以上に焼成することが必要であるといわれてい
る。
【００２１】ところが、金属亜鉛（Ｚｎ）は、水のよう
な酸素源とともに加熱すると、容易に反応し、式４の反
応により、水素を生成してＺｎＯになる。 Ｚｎ＋Ｈ2Ｏ＝ＺｎＯ＋Ｈ2・・・・・（４）
【００２２】また、マグネタイトは、構成イオンである
Ｆｅ2+がＦｅ3+に酸化されることで酸素を受け入れうる
が、例えば６００℃程度では水とは反応しない。しか
し、金属亜鉛とマグネタイトとをモル比１．５で混合し
て６００℃で水蒸気と反応させると、ＺｎＦｅ3Ｏ4が生
成し、式５に示した反応が進行する。 ３Ｚｎ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2Ｏ＝３ＺｎＦｅ2Ｏ4＋４Ｈ2・・・（５） その結果、Ｚｎの酸化から生成する水素に加え、さら
に、Ｆｅイオンがすべて３価に酸化されることによって
生じる水素を得ることができる。
【００２３】次に、式５の反応によって合成されたＺｎ
Ｆｅ2Ｏ4は、これを熱分解させることによって、酸素を
発生させることができる。そのメカニズムは、以下の通
りである。
【００２４】酸化亜鉛、例えばＺｎＯは、約１３００℃
から徐々に昇華する物質である。このため、式６、 ＺｎＯ＝Ｚｎ＋１／２Ｏ2・・・・（６） のように酸化亜鉛を熱分解するにはかなりの高温が必要
である。このため、酸化亜鉛を金属亜鉛に還元するとき
には、Ｈ2ガス中のような還元性雰囲気下で加熱する手
法が用いられる。
【００２５】しかし、水の分解反応の一環で、水素還元
を用いることはできないので、水分解にＺｎ／ＺｎＯ系
を用いるには、高温反応の壁を乗り越えなければならな
くなる。
【００２６】一方、ＺｎＦｅ2Ｏ4格子中にはＺｎ2+より
還元されやすいＦｅ3+イオンが存在する。Ｆｅ3+からな
る酸化物Ｆｅ3Ｏ4が還元される条件下であれば、式７、 ３ＺｎＦｅ2Ｏ4＝３Ｚｎ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋２Ｏ2・・・・（７） のように、１２００〜１６００℃の温度のもとで、Ｆｅ
3+の還元と共に解放される酸素原子に伴って、ＺｎＦｅ
2Ｏ4中のＺｎ原子が単独で揮発することが期待できる。
【００２７】もっとも、この温度範囲であれば、太陽炉
内で充分に実現が可能であり、上記反応を太陽炉内で行
なうことによって、太陽エネルギーを酸化物還元体（Ｚ
ｎ）の化学エネルギーに変換することができる。
【００２８】本発明において、ＺｎとＦｅ3Ｏ4との混合
物からのＺｎフェライトの生成は、反応機構として次の
反応Ａの一段階反応と、反応Ｂと、反応Ｃによる二段階
反応が考えられる（△Ｇはそれそれ１０００Ｋでの
値）。
【００２９】 ３Ｚｎ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2Ｏ＝３ＺｎＦｅ2Ｏ4＋４Ｈ2 △Ｇ＝−１０８．５ｋＪ／ｍｏｌ （反応Ａ） ３Ｚｎ＋３Ｈ2Ｏ＝３ＺｎＯ＋３Ｈ2 △Ｇ＝−１５９．８ｋＪ／ｍｏｌ （反応Ｂ） ３ＺｎＯ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋Ｈ2Ｏ＝３ＺｎＦｅ2Ｏ4＋Ｈ2 △Ｇ＝＋５１．４ｋＪ／ｍｏｌ （反応Ｃ）
【００３０】反応Ａの△Ｇは反応Ｂよりも高いが、１０
００Ｋでは十分に反応が進行し得る。しかし、反応Ｃは
６００℃（＝９７３Ｋ）では熱力学的に進行しない。実
際には、起きる反応は、反応速度によって決定される。
もし、反応Ｂが反応Ａより早い場合、ＺｎＯは生成する
が、反応Ｃに示されているようにＦｅ3Ｏ4との反応が起
きないため、ＺｎＦｅ2Ｏ4は生成しない。従って反応Ａ
の３分子反応の反応速度が反応Ｂよりも早ければ反応Ａ
が進行し得る。このような早い反応側で進行する反応Ａ
の機構は次のように進行するものと考えられる。
【００３１】反応Ａは、３分子反応であるので、２分子
反応のＢ，Ｃに比べ反応が起こり難いと考えられるが、
実際に反応Ａが進行することが見出されたので、熱力学
的には３分子反応で進行するものと考えざるを得ない。
このような３分子反応を可能にしているのはＺｎの融点
が４１９℃と低いことではないかと思われる。
【００３２】すなわち、融解したＺｎはマグネタイトの
粒子の表面に数原子オーダーの厚みで薄く広がり、その
金属界面へ水蒸気がとけ込んで中間体薄膜（ＺｎＯ）
[無定形であり、熱力学的には反応Ｃとは異なる化学
種]）が形成され（３モルの水素発生）、同時に、マグ
ネタイト中のＦｅ2+イオンが中間体薄膜中のＺｎＯ[無
定形]をＡ格子としてスピネル型格子を組むようにカチ
オン移動を起こし、その時に熱力学的に安定な（熱力学
的データーから３分子反応ではＺｎフェライト（ＺｎＦ
ｅ2Ｏ4）が最終安定化合物）化合物であるＺｎフェライ
トが形成されるので、カチオン移動を起こしたＦｅ2+イ
オンはさらにＦｅ3+イオンに酸化される。
【００３３】この時にＺｎＯ［無定形］が再び金属亜鉛
に変化することになるが、この還元ポテンシャルは水を
分解することによって補われ得るので、金属亜鉛を形成
することなく、ＺｎＯ［無定形］がＺｎフェライトのス
ピネル構造を形成すると同時に水の分解が起こり（１モ
ルの水素発生）、トータルとして４モルの水素が発生す
ると共に、Ｚｎフェライトが形成される。
【００３４】
【実施例】以下に本発明の実施例を示す。
【００３５】（実施例１）試料１として、Ｚｎ粉末とＦ
ｅ3Ｏ4（共に和光純薬工業製）をモル比１．５に調整し
た。この試料１を、先を細くした直径２５ｍｍφの石英
管に詰め、赤外炉で２００℃／ｍｉｎの昇温速度で６０
０℃（５５０〜６５０℃）まで加熱した。ついでこの石
英管内に、３００℃に予熱した水蒸気を導入し、試料１
を反応させた。
【００３６】水蒸気発生には、３００℃に加熱した電気
炉に、アルミナビースを詰めた１２ｍｍφのステンレス
管を置き、その中に炉の中央部までキャピラリーを差込
み、蒸留水をマイクロポンプで０．１ｍｌ／ｍｉｎ
（０．０３〜１．５ｍｌ／ｍｉｎ）で石英管内に送りこ
んだ。試料の反応生成物として発生した水素は、水上置
換で回収してガスクロマトグラフィーで定量し、固相は
化学分析（比色分析、原子吸光法）と粉末Ｘ線回折法
（ＸＲＤ）、メスバウアー分光法で同定した。
【００３７】以上、Ｚｎ粉末とＦｅ3Ｏ4を用いた水分解
反応による水素発生反応においては、水蒸気中、６００
℃で亜鉛フェライトが生成した。質量分析法で測定した
Ｈ2発生の様子を図１に示す。図１に明らかなとおり、
水素発生反応の反応速度は速く、１０分以内に、反応は
ほぼ終了している。
【００３８】発生水素量から導かれた収率は６００℃で
９０％以上を示し、また、固相からはＺｎフェライトが
確認された。図２は、水素発生後のＸ線回折図である。
図２によれば、ＺｎＯにピークが見られたため、これ
は、ＺｎＦｅ2Ｏ4，Ｆｅ3Ｏ4,ＺｎＯの混合物ではない
かと、推測される。
【００３９】粉末Ｘ線回折法（ＸＲＤ）では、マグネタ
イトと、Ｚｎフェライトとを見分けることは難しいが、
ヒピリジル錯体の吸光度から得たＦｅ2+総Ｆｅイオン比
がマグネタイトの０．３３より小さい０．０９〜０．２
３であることと、メスバウアースぺクトルでＺｎフェラ
イト特有の二本組のピークが確認されたことから、Ｚｎ
フェライトが生成していることがわかる。
【００４０】反応の温度依存性を調べたところ、５５０
℃では金属Ｚｎが残り（ＸＲＤ）、収率も３９％と低か
った。ＺｎＯとＦｅ3Ｏ4の混合物（モル比１．５）を同
じ条件で反応させたところ、水素の発生はほとんど見ら
れなかった。
【００４１】Ｚｎのみの反応に関して、亜鉛粉末のみで
反応を行ったところ、焼結が起き、収率は４７％であっ
た。また焼結させないために石英ガラス粉末を混合して
も同様（５１％）であった。水蒸気の流量を減少させる
と収率は低くなった。合成された反応生成物は黒色で強
い磁性を帯びている。ちなみにＺｎＦｅ2Ｏ4は、通常磁
性を持っていない。
【００４２】これを空気中５００℃で３０ｍｉｎ加熱す
ると、さらに酸化され、重量が増加し、ＺｎＦｅ2Ｏ4に
特有の茶色を呈するが、磁性は残る。ところが、６００
℃を越える高温下では、磁性が失われることがわかっ
た。
【００４３】（実施例２）次に、実施例１によって生成
された合成物（実施例１の水素発生によるＺｎＦｅ2Ｏ4
（黒色）試料）からの酸素発生反応をキセノンランプ及
び熱天秤を用いて調べた。石英管内に差し込まれた皿付
き熱電対に実施例１の水素発生によるＺｎＦｅ2Ｏ4（黒
色）試料（試料２）をのせ、不活性ガス気流中でキセノ
ンランプの集光を照射して酸素を放出させた。
【００４４】また、試料２の分解と同時に生成して気化
する亜鉛を反応管壁に蒸着させて回収した。試料２は、
不活性ガス気流中において、昇温速度５０℃／ｍｉｎで
１３００℃まで加熱し、４時間保持した。図３に、酸素
発生時の試料２の重量変化を示す。試料２の比較実験の
ための試料として、焼成ＺｎＦｅ2Ｏ4（戸田工業製）
（焼成試料）、共沈法で合成したＺｎＦｅ2Ｏ4（共沈試
料）、及びこれをさらに酸化したもの（赤色酸化試
料）、ＺｎＯ（酸化亜鉛試料）（和光純薬工業製）を使
用した。
【００４５】各試料２（試料２とその比較試験のための
試料）の表面積は、共沈≫ＺｎＯ≒焼成＞水素発生後の
順に大きかった。石英管にキセノンランプの光を照射し
たところ、石英管壁の照射部分にＺｎＯの白い蒸着物が
生成して光線を遮り、照射開始後数分で温度降下が起き
てしまい、長時間（１時間以上）の反応を行なうことが
できないが、傾向は後述の熱分析と同様になっている。
【００４６】金属Ｚｎを用いた照射実験でのＺｎ蒸気の
管壁への蒸着による回収率は９０％以上であり、ＺｎＯ
からＺｎ蒸気を生成できれは、金属Ｚｎを高収率で回収
できることがわかった。
【００４７】熱重量分析（ＴＧ） 各試料２は、いずれも１２５０℃付近から急速に重量が
減少し、減少曲線はなめらかに平衡に達した。減少量は
重量で３０−３５％（理論量３６％）であり、Ｚｎは高
効率で揮発している。生成物は黒色の磁性のある固体に
なり、粉末Ｘ線回折からマグネタイトと同定された。
【００４８】重量減少開始点の接線の傾きから、反応の
初速度を算出したところ、 水素発生後＞共沈≒ＺｎＯ＞酸化後＞焼成 の順に速かった。
【００４９】水素発生後の試料２（実施例１の水素発生
によるＺｎＦｅ2Ｏ4（黒色）試料）は表面積が小さいに
も関わらず、分解速度がとても速いという特性を持って
いることがわかった。この特性は、酸化することによっ
て鈍化することから、おそらく格子欠陥濃度が高く、水
素発生後の試料が酸素不足であることが分解速度に関わ
っているものと伺える。
【００５０】また、水素発生時に生成する副生成物であ
るＺｎＯが初速を担っているようにも考えることはでき
るが、含まれるＺｎＯ分以上の減少までなめらかに反応
が進むことから、この寄与は少ないと推察される。
【００５１】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、金属亜鉛
と、マグネタイトとを水と反応させ、６００℃程度の比
較的低い温度で水素を発生させることができ、さらに、
反応の結果、合成されたＺｎＦｅ2Ｏ4は、これを高温で
分解処理することにより、亜鉛と、マグネタイトと、酸
素を生じさせることができ、その分解反応を太陽炉内で
行い、太陽エネルギーを熱源として供給することによっ
て有効に酸素をとりだすことができる。
【００５２】本発明によれば、水素の発生に、金属亜鉛
と、マグネタイトのようなありふれた材料を出発原料と
して使用し、さらに、金属亜鉛と、マグネタイトと水蒸
気との反応によって合成された合成物は、これを分解処
理することによって再び金属亜鉛と、マグネタイトとに
戻るため、廃棄物が生ぜず、水素製造熱サイクルの完全
クローズドサイクルシステムを実現できる効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｚｎ粉末とＦｅ3Ｏ4を用いた水分解反応による
水素発生反応における質量分析法で測定したＨ2発生の
様子を示す図である。
【図２】水素発生後のＸ線回折図である。
【図３】酸素発生時の試料２の重量変化を示す図であ
る。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属亜鉛と、マグネタイトとを水と反応
    させ、反応生成物として水素を発生させることを特徴と
    する水の分解方法。
  2. 【請求項２】 金属亜鉛とマグネタイトとをモル比１．
    ５で混合して６００℃で水蒸気と反応させることを特徴
    とする請求項１に記載の水の分解方法。
  3. 【請求項３】 金属亜鉛と、マグネタイトとを水と反応
    させる反応は、化学式 ３Ｚｎ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2Ｏ＝３ＺｎＦｅ2Ｏ4＋４Ｈ2 にしたがって進行し、反応生成物として、ＺｎＦｅ2Ｏ4
    が合成される反応であることを特徴とする請求項２に記
    載の水の分解方法。
  4. 【請求項４】 前記反応によって生ずる水素は、Ｚｎの
    酸化から生成する水素に加え、さらに、Ｆｅイオンがす
    べて３価に酸化されることによって生じる水素であるこ
    とを特徴とする請求項３に記載の水の分解方法。
  5. 【請求項５】 合成されたＺｎＦｅ2Ｏ4を分解し、分解
    反応の生成物として酸素を発生させることを特徴とする
    請求項３に記載の水の分解方法。
  6. 【請求項６】 合成されたＺｎＦｅ2Ｏ4は、式、 ３ＺｎＦｅ2Ｏ4＝３Ｚｎ＋２Ｆｅ3Ｏ4＋２Ｏ2 にしたがって分解し、Ｆｅ3+の還元と共に解放される酸
    素原子に伴って、ＺｎＦｅ2Ｏ4中のＺｎ原子が単独で揮
    発する反応であることを特徴とする請求項５に記載の水
    の分解方法。
  7. 【請求項７】 合成されたＺｎＦｅ2Ｏ4の分解反応のエ
    ネルギーは、太陽エネルギーを熱源として供給するもの
    であることを特徴とする請求項６に記載の水の分解方
    法。
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