2021年のトップ記事

基本的に自然そのものからインスピレーションを得たハイテクエネルギー生成システム、つまり人工光合成の確立に向けた取り組みが進んでいます。

ラジ・シャー博士、エリアナ・マシル女史、ガブリエル・マスード女史 | ケーラー・インスツルメント・カンパニー

化石燃料エネルギー供給に代わるクリーンなエネルギーを実現する緊急性は飛躍的に高まっています。 再生可能エネルギー源としての人工光合成の研究は数十年にわたって行われてきました。 このアプローチでは、バイオミメティック技術を使用して、太陽光、水、二酸化炭素などの豊富な資源を使用して酸素とエネルギーが豊富な炭水化物を生成する自然の光合成のプロセスを再現します。 この操作を再現することで、研究者はこれらの天然資源を利用して太陽エネルギーを化学エネルギーに変換し、それを燃料の結合に貯蔵するシステムを設計することができます。 人工光合成によって生成できる燃料には、ギ酸 (HCOOH)、メタノール (CH3OH)、一酸化炭素 (CO)、メタン (CH4) などの炭化水素、または純粋な水素燃料が含まれます。 人工光合成に関与する化学プロセスには、水を酸素と水素に分解すること、または二酸化炭素をさまざまな炭化水素に還元することが含まれます。 これらのプロセスは、光電気化学セルや光電結合電解槽などのいくつかのデバイス設計によって実現されます。 各機能は、太陽光の光子と適切な触媒から抽出されたエネルギーによって駆動されます。 また、天然光合成と人工光合成の両方の有利な成分を組み合わせて半人工光合成システムを作成する一般的な方法もあり、これには酵素の組み込みや合成装置への全細胞適用も含まれます。 しかし、この分野の進歩には、費用対効果、長期耐久性、優れた効率という重要な特性を実証するシステムを確立できないことを中心に、いくつかの制限があります。 それにもかかわらず、研究者らは産業応用の準備ができた実行可能なデバイスを開発することに熱心であり、適切な材料の探索は続いています。 人工光合成を大規模に利用すれば、価値のある燃料の形で再生可能かつ貯蔵可能なエネルギーを社会に提供できる可能性があります。 生成された炭化水素は化石燃料の代替品として機能し、純粋な水素も燃料として使用したり、燃料電池に送り込んで発電したりすることができます。 人工光合成装置は、環境から過剰な二酸化炭素を抽出し、酸素を環境に戻す大気浄化装置としても機能します。 道のりは長いですが、人工光合成によって生成されるエネルギーによって電力供給される社会が望まれており、これまでの取り組みは十分な期待を示しています。

社会が進歩するにつれて、有害な基準に代わる再生可能エネルギー源を開発する必要性が常に高まっています。 従来の化石燃料の使用は、天然資源を枯渇させるだけでなく、環境の安全性を妨げる温室効果ガスを排出し続けています。 長年にわたり、科学者たちは、世界のエネルギー供給の約 80% を占める化石燃料への依存を軽減することに貢献できる数多くの代替品を研究してきました [1]。 したがって、基本的に自然そのものからインスピレーションを得たハイテクエネルギー生成システムの確立に向けた努力が高まっています。 この概念は人工光合成と呼ばれます。 これは、天然の植物、藻類、一部の細菌内で起こる生物学的反応を模倣して、基本的に独自のエネルギーを生成し、それらが化学結合に蓄えるように設計されています[2]。

太陽は、人類の 1 年間のエネルギー需要を賄うのに十分なエネルギーを 30 分ごとに地表に供給します [3]。 世界中に不均一に分布し、しばしば政治的緊張や入手可能性の問題を引き起こす化石燃料とは異なり、太陽光は非常に入手可能であり、地理的に分散しています[4]。 長期的に社会に電力を供給できる唯一のエネルギー源は太陽エネルギーであると多くの人が主張しています[5]。 言い換えれば、太陽が私たちの唯一の希望なのです。

自然の光合成は、世界で燃焼されるすべてのエネルギーを単独で担っています。 生物群集の間で循環するすべてのエネルギーは、食物連鎖の最下位にある生物で行われる光合成によって根づいています。 それにもかかわらず、光合成は石炭や石油などの化石燃料に蓄えられるエネルギーにも関与しています。 これを念頭に置くと、この自然プロセスに対する生体模倣アプローチから有用なエネルギーを直接導き出そうとすることは、理論的には理にかなっています。

人工光合成の概念は、屋根の上や畑に並べて設置されている太陽電池パネルの概念と似ています。 ただし、ソーラーパネルに含まれる太陽電池は、太陽エネルギーを利用し、それを電気に変換して直接利用できるように設計されています。 これは便利ですが、ソーラー パネルで生成される電力は天候や時間に依存するため制限があり [2]、現時点ではバッテリーで適切に蓄えることができないという事実によって制限されています [6]。 対照的に、人工光合成装置も太陽光への曝露に依存していますが、半導体は太陽エネルギーを吸収し、後で使用するために燃料の化学結合にそれを蓄えることができます[2、7]。 このようにして、高価で持続不可能なバッテリー貯蔵のオプションとは対照的に、エネルギーは燃料の形で高密度かつ安価に貯蔵されます[4]。 この考え方は、バッテリーと燃料の貯蔵能力の違いを視覚化した図 1 で強調されています。

図 1. さまざまなエネルギー貯蔵システムの体積および重量エネルギー密度。 [4]

保存性の側面とは別に、人工光合成は、大気から過剰な CO2 を吸収し、有益な酸素を環境に放出するのに役立つ可能性があるため、太陽光パネルよりも環境的に魅力的です [7]。 したがって、このシステムは太陽光発電の世界において革新的なものになる可能性があります。

2020年7月、米国エネルギー省（DOE）は人工光合成の研究に向けた5年間で1億ドルの資金計画を発表した。 同団体は、大きな課題であると同時に大きな将来性があることで知られるこの分野で、アメリカを最前線に立たせたいと考えている。 研究は、太陽光を最大効率で使用可能なエネルギーに変換する、低コストで産業的に適合する技術を確立することに焦点を当てます[8]。 これを行うことで、科学者は液体燃料などの必須製品を得ることができる再生可能システムを実証する機会を得られます[2]。 この1億ドルの投資は、人工光合成の研究に対する同国のコミットメントを表しており、この技術は世界の現在のエネルギー苦境を緩和する上で画期的な可能性を秘めているからだ。

これを詳しく説明すると、自然の光合成は、光化学系 II と光化学系 I という 2 つの一般的な部分で発生します。光化学系 II は、光の吸収と化学エネルギーへの変換を担当します [11]。 CO2 は葉にある開口部である気孔を介して吸収されるため [9]、アンテナ システムと呼ばれるクロロフィルのような色素分子の集合体が太陽光を吸収して収集し、光が当たっている間に光エネルギーをいわゆる反応中心に伝達します。葉緑体のチラコイドで起こる依存的な反応[10]。 ここで、光からのエネルギーがクロロフィル分子を励起して電子を放出させ、電子伝達鎖を通って移動し、そこで ATP (アデノシン三リン酸) と NADPH (ニコチンアミドアデニン ジヌクレオチド リン酸) が生成されます [12]。 水からの電子はクロロフィル色素の「電子孔」を満たし、世界で最も価値のある副産物と呼ばれる酸素を放出します。 このシステムを常に動かしているのは、光化学系そのものや、水分子に由来する水素と相互作用するヒドロゲナーゼなどの複雑な一連の酵素です[13]。

電子は光化学系 I に到着し、そこで光に依存しない反応が起こります。これは暗反応またはカルビン サイクルとも呼ばれます。 これは葉の間質で起こります。 カルビン サイクル中、水と触媒は、最初の反応から得られる化学エネルギーを使用して CO2 から炭素原子を有機分子に変換する反応を促進するために使用されます [10]。 次の化学式に見られるように、CO2 が炭水化物に還元されると、最終的にグルコースが生成されます。

6H2O + 6CO2 + (太陽光) → C6H12O6 + 6O2 [9]

したがって、自然の光合成は、太陽エネルギーを炭水化物の結合に蓄えられた化学エネルギーに変換することによって、生物が自らの食物を生産する複雑な手段を提供するように、進化によって巧妙に設計されています。 プロセス全体を図 2 に概略的に示します。

図 2. 酸素発生型光合成プロセスの概略図。 [11]

人工光合成の概念は、自然生物内で起こるこの基本的なプロセスを模倣し、社会のニーズに合わせて操作することです。 この用語は、太陽エネルギーを燃料の化学結合に捕捉して保存するあらゆるスキームを指します。 したがって、グルコースを生成するのではなく、水素やメタノールなどの貴重な燃料が生成されます[14]。 この取り組みの背後にある一般的な目標は、環境に悪影響を与えることなく、エネルギーを再生可能、信頼性が高く、貯蔵可能にする方法を確立することです。 この概念は産業的な意味ではまだ達成されていませんが、実験室規模では多くの顕著な成功が収められています[15]。

人工光合成では、メタノールやギ酸などの炭化水素、または単なる純粋な水素の 2 種類の燃料を生成できます。 水素は、燃料電池で消費したり、液体燃料自体として直接使用したりできるクリーンな燃料の選択肢として浮上しています [2]。 輸送（たとえば、特定の自動車）、家庭への電力供給、または化石燃料に代わるその他の用途に利用できます。 燃料電池に送られると、電気を生成することもできます。 この種の燃料は多くの方法を使用して生成されますが、人工光合成もその 1 つとして挙げられます。 他の技術には、熱プロセス、電気分解、生物学的プロセス、またはその他の太陽光駆動システムが含まれます [16]。

開発の必要がある人工光合成装置には、光捕捉と電子輸送、水の分解 (水素と酸素へ)、二酸化炭素の削減の 3 つの主要なコンポーネントがあります [6]。 研究者は、これらの重要なプロセスを実行できるいくつかのシステムを確立しました [2]。 これらのシステムの構成要素は、色素分子や電子伝達系など、自然の光合成の反応中心における対応する要素として機能するように合成的に設計されています。

独立栄養生物の機能を実際的な方法で再現しようとすると、研究者はいくつかの制限に遭遇します。 たとえば、自然の光合成はほぼ完璧な量子効率 (効率的な電荷分離) [17] を示しますが、ほとんどの場合、全体的な化学変換効率は高くありません。 実際、ほとんどの天然植物は、自らの生存を維持するのに十分なエネルギー変換しか実行できないように進化してきたため、太陽光からバイオマスへの効率は約 1% しか生み出すことができません [17、19、20]。 [17]。 しかし、工業的に実現可能な人工光合成システムの太陽から化学エネルギーへの変換は、10% 以上の効率を実証する必要があることが判明している [12、21]。 これは、この分野にとって課題となっています。高い変換効率を達成することに成功した製造デバイスはすべて、希少で高価な材料から作られており、そのため、これらのシステムをスケールアップすることが現実的に不可能になっているためです[2]。

さらに、これは、人工光合成に伴う困難な反応に対して適切な触媒として機能することができる材料の継続的な探索にも結びついています。 人工光合成に関わるプロセスには化学結合の切断と形成が含まれるため、この反応を促進するには触媒が必要です。 しかし、この研究分野に関連する主なボトルネックの 1 つは、費用対効果が高く、効率的で安定した触媒材料を確立することです。 有機ベースなどの研究対象の触媒の重大な問題は、複数回の使用に対して不安定になる傾向があることです [2、22]。 多くのバリエーションにはシステム機器を腐食または劣化させる傾向があり、いくつかのバリエーションは数回のサイクルでエネルギーを失います。 植物は本質的に自己修復メカニズムを実行しますが、人工システムはほとんどの場合この特性を保持していません [19]。 代替の金属酸化物触媒は有望ですが、十分な速度を備えた触媒は豊富さと経済的実行可能性に欠けています [2]。 一方、適用可能なデバイスは少なくとも 10 年間の安定性を実証する必要があると判断されています [20]。 そこで、それぞれの機能を適切に発揮する触媒の探索が進められている。

自然プロセスを模倣する分野におけるもう 1 つの注目すべき課題は、光合成生物に見られる複雑な分子幾何学です。 研究者たちは、これに伴う複雑さのレベルを再現するのに非常に苦労しています[2]。 しかし、超分子戦略とナノテクノロジーの助けを借りて、科学者は構造と分子の組成を通じてデバイスの動作を簡単に操作できるようになりました。 自然の光合成に存在する詳細を一致させることは困難ですが、これらの技術により、この分野は実行可能なシステムに向けて前進することができます[31]。

人工光合成の最初の提案は、化石燃料の非持続可能性を認めたイタリアの化学者ジャコモ・チアミシアンによって 1912 年に報告されました。 彼は、代わりにエネルギーを生成および貯蔵する自然の方法を複製するというアイデアを促しました [7]。 しかし、1972 年に本多健一とその弟子である藤島昭が光を動力とする水分解装置の最初の成功を報告し [20]、これは「本多・藤島効果」と名付けられるまで、この取り組みに関する画期的な研究は発表されていなかった。 このデバイスには、完全に水に浸された TiO2 光アノードと白金 (Pt) 黒カソードで構成される光電気化学電池が必要でした [21、22]。 このシステムが光にさらされると、そのエネルギーによって TiO2 が励起され、電子が放出されます。 Ti 原子上に残る「電子正孔」、つまり正電荷は水分子からの電子によって満たされ、水を酸化して酸素を生成します。 放出された電子は水に由来するプロトンに与えられ、プロトンが水素に還元されます [23]。 光アノードに400 nmを超える波長の光を照射することにより、デバイスは光アノードで酸素を生成し、光電陰極で水素を生成することができ、図3に示すように水を酸素と水素に分解することができました[21]。 TiO2 分子は紫外波長のみを吸収できるため、この方法では大量のエネルギーを抽出できません [23]。

図 3. 「ホンダ・藤島効果」における光電気化学電池による水の分解の図解 [24]

その後、1983 年に、Energy Conversion Devices の William Ayers が最初の可視光水分解装置の特許を取得しました。 「人工リーフ」と呼ばれるこの装置は、シリコン製の薄膜多接合セルで構成され、セルの上にはイオン輸送用のナフィオン膜があり、すべて水に浸されていました[25]。 光が当たると、裏面の金属基板上に酸素が形成される一方、シリコン表面上では水素が発生し、水の光分解が行われてその成分が生成される[14]。

太陽エネルギーによる CO2 の炭化水素への還元は、1978 年に M. Halmann によって初めて達成されました [26]。 この研究では、リン化ガリウムからなるp型リン化物半導体を光電面として使用しました。 デバイスを水溶液中に懸濁した。 光にさらされると、システムはギ酸 (HCOOH)、ホルムアルデヒド (CH2O)、およびメタノール (CH3OH) の生成に成功しました [22]。 これらの画期的な出来事以来、科学者たちは人工光合成の働きを研究するために多大な研究を捧げてきました。

人工光合成は複雑な目的であり、多くの必要な考慮事項を前提としています。 全体として、完了する必要がある 2 つの主な機能は、光の収集と水の分割です。 純粋な水素以外の他の燃料をさらに生産するために二酸化炭素固定を拡張する可能性もあります [2]。 したがって、人工光合成には、天然の光合成と同様の 3 つの主要なステップがあります。励起状態に達するための光の吸収、電荷の生成と分離、燃料生産のための化学変換です [4]。

人工光合成の最初のステップは、システムを駆動するエネルギー源として光フォトンを吸収することです。 この研究ゾーンは、光子の曝露を最適に利用し、光エネルギーを集めることができる光増感剤を見つけることに焦点を当てています。 天然の光合成の制限特性の 1 つは、光合成生物のほとんどの色素分子が、約 400 ～ 700 nm の範囲内の波長の光しか吸収できないという事実です [6]。この波長は、地球に届く太陽光の約 50% を占めています。図 4 に示すように、18]。

図 4. 地球上で利用できる太陽光のスペクトルの視覚化。 緑色の領域は光合成活性放射線を表しており、地球に届く太陽光の約半分しか占めていません。 [18]

したがって、太陽スペクトルのより広い利用帯域を利用できる材料を実装することにより、より大量の適用可能なエネルギーをより速い速度で抽出する機会が生まれます。

「ホンダ・フジシマ効果」にインスピレーションを得た多くのシステムは、光吸収体および触媒として TiO2 光アノードを利用しています。 しかし、この材料の問題は、紫外光のみを吸収できるため、利用可能な広いスペクトルの光を利用できないことです[23]。 また、半導体の材料としてよく使われているのは、先ほども紹介したようにシリコンです。 シリコンは、1100 nm までのより広いスペクトルの光を吸収できるため [18]、豊富で安価な光源でもあるため、この目的にとって魅力的な材料です [12]。 この目的のために研究されている他の材料には、ZnO、Fe2O3、BiVO4 などの他の金属酸化物、Ta3N5 などの金属窒化物、GaP などの金属リン化物、TaON などの金属酸窒化物などが含まれます [12]。 2012 年、パナソニックは窒化ガリウム半導体を使用して、薄膜技術を使用してギ酸とエタノールを生成しました [42]。

この光吸収分野の関心分野は、科学的手法を利用してシステムとその機能を操作することです。 この場合、適切な光吸収を引き起こすために、いくつかの小規模なアクションを実行できます。 たとえば、元素ドーピングは、波長吸収カットオフなどの特性を変更する目的で、半導体に特定の不純物を追加するために非常に一般的に利用されます。 さらに、表面の機能化と合理的なナノ構造化は、材料の動作に影響を与える機会を提供します。 材料の構造を微調整することは、その目的を微調整するための強力なツールであることが知られています。 したがって、これらの戦略はまさにそれを行うのに役立ちます。 ミシガン大学のブルースカイプロジェクトの下で、銅と鉄でコーティングされたシリカナノワイヤーを備えた窒化ガリウム半導体が、CO2と太陽光からメタンを生成することに成功した[43]。

水の分解には、化学酸化還元反応による水の酸素と水素への分解が伴います。一般的な方法の 1 つでは、光電気化学電池に分離目的の膜が組み込まれています。 照射されると、半導体ナノワイヤが光を吸収し、水の酸化が起こり、電子と陽子だけでなく酸素も生成されます。 これらの電子はワイヤーを通って還元末端まで進み、プロトンはそこで一般にナフィオンで作られるプロトン伝導膜を通って移動し、そこでプロトンは水素に還元されます。 したがって、水の光分解は、それぞれの目的に合わせてカスタマイズされた 2 つの異なるシステムを組み合わせることによって実現されます [12]。

図 5. a) 自然光合成と、b) 分離膜を備えた光電気化学電池による人工光合成による水の分解方法を並べて示した図。 [12]

水の分解に関与する酸化還元方程式は次のようになります。

酸化: 2H2O → 4e- + 4H+ + O2

還元: 4H+ + 4e- → 2H2

複合反応: 2H2O → 2H2 + O2

[21]

水の分解には約 2.5 V のエネルギーが必要なため、反応を開始するには太陽光の光子と反応する触媒が必要です [2]。 マンガンは植物の光合成核に含まれるため、生物模倣アプローチとして、研究者らはマンガンを触媒元素として研究してきました。 ただし、このアプリケーションは、短期的かつ非効率的な機能 [2] により、人工システム内で不安定性を引き起こすことがよくあります [14]。 さらに、前述したように、金属酸化物は触媒として人気があります。 たとえば、最近発見された触媒である酸化コバルト (CoO) は、安定で効率的であり、豊富な選択肢であることがわかっています [2]。 2019年に、亜酸化銅を使用してCO2と太陽光からメタノールとO2を生成する人工葉の特許が取得された[41]。

水の分解の注目すべき特性は、水の酸化による酸素の生成と、水の還元による水素の生成を伴うことです。 ある目的に最適に機能する多くの触媒は、必要な還元電位または酸化電位のせいで、他の目的には不十分です [27]。 したがって、それぞれの活動に合わせてカスタマイズされた材料を結合するシステムも考慮されます。

分子状水酸化触媒は酸素の発生に特化しています。 一般に、それらは不飽和の第一配位球を備えた遷移金属ベースであり、水分子の活性点として機能し、電荷の蓄積により高価金属-オキソ中間体を形成できるようになります[28]。 たとえば、ルテニウムベースおよびイリジウムベースの触媒は、その反応性と安定性により優れた性能を示します。 [12、19、28]。 ただし、これらの要素には、多くの要素と同様に、希少で高価であるという欠点があります [12]。 したがって、研究者は、銅系、ニッケル系、鉄系などの遷移金属族のより豊富な候補に引き続き焦点を当てています[28]。 触媒機能を向上させるために、鉄などの酸化還元化学に富んだ金属を豊富に含む化合物を分子技術を使用して微調整することは、依然としてこの分野における重要な目的である。 セントローレンス大学のアダム・ヒルは、結合したCO2還元触媒にエネルギーを導く多孔質シリカベース上にコバルトとジルコニウムのヘテロバイメタルを組み合わせた二核ユニットを作成している。 これにナノチューブ分離膜を組み合わせる。 [40]。

分子状水分還元触媒が水素の生成を行います。 触媒は一般に、広く開いた配位部位と金属水素化物中間体を安定化するための電子構造を備えた金属錯体を含んでいます。 一般的な材料には、ロジウムベースやプラチナベースの錯体などの貴金属が含まれます。 ただし、研究は主に、コバルト、鉄、モリブデン、ニッケルなどの地球上に豊富に存在する金属から触媒を開発することに焦点を当てています。 ニッケル錯体は、列挙されたものの中で最も安定で効率的な水素発生触媒であると報告されています。 それにもかかわらず、さまざまな化学技術による材料機能の最適化はまだ研究中です。 [28]

二酸化炭素の還元または固定は、人工光合成に関連するもう 1 つの重要なプロセスです。 水からの酸素と水素の生成に加えて、水素を利用して CO2 を化学的に還元することによる他の炭化水素燃料の生成にも関心が集まっています。 CO2 の炭素原子は最高価数を占めるため、還元レベルに応じてさまざまな燃料を作成できます [26]。 生成できる燃料化合物の例には、ギ酸 (HCOOH)、メタノール (CH3OH)、一酸化炭素 (CO) [29]、メタン (CH4) [22] があり、これらについては還元反応が見られます。

CO2 + 2H+ + 2e– → HCOOH [22, 29]

CO2 + 2H+ + 2e– → CO + H2O [22, 29]

CO2 + 6H+ + 6e– → CH3OH + H2O [22, 29]

CO2 + 8H+ + 8e– → CH4 + 2H2O [22]

水素燃料とは対照的に、液体炭化水素には現在のエネルギーインフラに簡単に統合できるという利点があるため、より望ましい製品です[1、13、19]。 しかし、そのような炭化水素燃料を生成することは、プロセスの多電子の性質により、より大きな科学的課題となり、さらなる複雑さを課すことになる[13、19]。

正確なメカニズムはまだ確立されていませんが、研究者らは、光による CO2 の還元中に起こるプロセスについてのアイデアをまとめました。これは水の分解と同様です。 これまでのところ、CO2 は最初に触媒と相互作用し、静電相互作用を通じて付加物を形成し、それが励起された光増感剤の少なくとも 1 つの電子の放出を引き起こすと考えられています。 電子が触媒に伝達され、還元反応が活性化され、その後プロトンカップリングが起こります。 光増感剤の電子正孔は電子供与体によって直ちに埋められ、プロセスは完了します [22]。

発生する削減のレベルは、いくつかの要素によって異なります。 温度、圧力、加えられるエネルギーなどの物理的および化学的環境が大きな役割を果たします[22]。 ただし、最大の影響は依然として触媒の選択です。 理想的な触媒の基準には、低コスト、耐久性、選択性のある材料が含まれます。 研究の候補には、レニウムベースの錯体に加えて、より豊富なコバルトベース、ニッケルベース、鉄ベース、および亜鉛ベースの錯体が含まれます[22、28]。

非常に適切な触媒はまだ実現されていませんが、化学変換性能を向上させるために実行できる戦略がいくつかあります。 たとえば、構造工学は触媒/システムの機能に大きな影響を与えます。 階層的な多孔質形態の作成により、電極表面での中間体の吸着が大幅に強化される可能性があります [27]。 また、銀、金、銅などの助触媒の使用は、変換効率を高める効果的なアプローチであることがわかっています[22]。 実用的なシステムに向けた進歩のために、他にも多くの革新が実証されています。

太陽エネルギーを燃料の結合に蓄えられた化学エネルギーに変換する目的で複雑に設計された 2 つの著名な装置があります。 最初に説明するのは光電気化学電池であり、2 番目は光電結合電解槽です。 どちらのシステムにも、利点と欠点だけでなく、相互に類似点と相違点があります。

図 6. 一般的な光電気化学セルの動作の概略図。 [32]

一部の光電気化学電池の設計には、分離技術として膜が組み込まれています。 膜は、そのプロトン伝導特性により、ほとんどの場合ナフィオンで構成されています [12]。 この水の分解方法も以前に説明しました。

水分解装置の効率は主に光陽極の材質に依存します。 したがって、光アノードの適切な基準は、水溶液中での高い安定性、広いバンドギャップ、および可視光を吸収する能力である。 研究者らは当初、半導体材料を使用していましたが、効率が低く、不安定で、バンドギャップが狭いなどの欠点が発生しました。 したがって、焦点は炭素ベースの遷移金属およびナノ構造の光アノードに移ってきました。 炭素ベースの材料の場合、グラフェン、カーボン ナノチューブ、カーボン ドット、およびカーボン量子ドットはすべて、優れた安定性と光電流の生成を示します。 ゲルマニウムをドープしたヘマタイト、硫化カドミウム、酸化亜鉛、硫化銅、モリブデンなどの遷移金属も同様に優れた性能を示します。 これらの材料は、高い電気伝導性と電気化学的安定性により、優れた効率を示します。 同様に、ナノワイヤー、ナノテーパー、ナノロッドなどのナノ構造は、光電陰極での水素発生を増加させることが証明されています[32]。

光電結合型電解槽には、太陽電池と電気化学電池の両方の機能が別々のステップで組み込まれています [13、28、31]。 まず、光の吸収と電荷の分離が太陽電池によって行われます。 次に、セルによって生成されたエネルギー ポテンシャルが電解槽に適用され、酸化還元反応が開始および駆動されます [28]。 このようにして、太陽放射は最初に電気に変換され、その後、電解槽内で水または CO2 の酸化と還元に使用されます [13]。 このタイプのシステムは、太陽光から水素への変換効率 10 ～ 15% を達成でき、2016 年の記録では 30% を達成できるため、より効率的なアプローチであると考えられています [31]。 図 7 は、光電気化学電池デバイスと光電結合電解槽デバイスの比較と、それらの潜在的な現実世界のアプリケーションを示しています。

図 7. a) 光電気化学電池デバイスとその潜在的用途、および b) 光電結合型電解槽とその潜在的用途の視覚的表現。 [28]

2016 年の超効率的な光電結合電解槽システムでは、市販の三重接合太陽電池が採用されました。 3 つのサブセルは、それぞれインジウム ガリウム リン (InGaP)、ガリウム ヒ素 (GaAs)、およびガリウム インジウム 窒素 ヒ素 アンチモン化物 GaInNAs(Sb) で構成されています。 太陽電池は、ナフィオン膜からなる 2 つの高分子電解質膜に直列に接続されました。 膜のコーティングは、カソードにはＰｔ黒触媒、アノードにはＩｒ黒触媒であった。 プロセスを開始するには、三重接合セルで生成された電流を利用して、水を最初の電解槽のアノードにポンプで送り込みます。 これにより、水と酸素の流出物が 2 番目の電解槽の陽極に流入し、一方、水素が 1 番目の電解槽の陰極から 2 番目の電解槽の陰極に流れました。 水素と酸素は、それぞれ第 2 電解槽の陰極と陽極から収集されました。 図 8 はこのモデルを示しています。 さらに、未反応の水はシステムに戻され、リサイクルされて再利用されました。 動作は 48 時間障害なく継続され、これまでに報告されている最高効率である 30% という驚くべき太陽光から水素への変換効率を達成しました。 [33]

図 8. 2 つの高分子電解質膜に直列に接続された三重接合太陽電池で構成される光電結合型電解システム。 [33]

半人工光合成システムは、自然光合成と人工光合成の両方に関連する独自の強みを積極的に統合します。 たとえば、天然の光合成には、高い量子効率 (100% に近い)、優れた選択性、自己修復メカニズムなどの貴重な利点があります。 一方、合成アプローチでは、より広い光吸収スペクトルを持つ材料を実装したり、さまざまな目的のために分子化学を操作したりすることができます。 両端の側面を組み合わせることで、研究者は特定のアプリケーション向けにシステムの個々のコンポーネントを制御可能に設計する機会を得て、欠点を最小限に抑えることができます [17、34]。

合成光吸収体と生物学的にインスピレーションを受けた触媒を組み込んだハイブリッドシステムは、興味深いアプローチを提供します。 電極に配線された酵素を介して光電流を流すことにより、これらの触媒は、速度論的および熱力学的に頑固な生成物をほぼ 100% の選択性で高速で生成できます [34]。

例えば、光化学系 II 酵素と無機半導体の結合が研究されています。 1 つのシナリオでは、単離された光化学系 II 酵素複合体がメソ多孔質の逆オパール酸化インジウムスズ (ITO) 電極とインターフェースされました。 電極の階層的多孔性は、酵素のサイズに一致する長さの細孔を特徴としました。 これを視覚的に示した例を図 9 に示します。ヒドロゲナーゼを搭載したカソードと組み合わせると、このシステムは 5.4% の光から水素への変換効率を実証しました。 したがって、これにより、無機集電体と生物学的触媒が戦略的に接続され、有利なシステムが作成されました[34]。

図 9. 光化学系 II 酵素が合成 ITO 電極と結合した酵素ハイブリッド システム。 [34]

全細胞の実装を利用するバイオハイブリッド システムは、単一酵素システムと比較して、より複雑な化学を達成する能力を備えています。 特定の種類の細菌などの細胞生物は、その代謝ネットワークと酵素ネットワークにより、高度な効率と特異性を発揮できます。 したがって、微生物細胞と接触する無機半導体または金属ナノ粒子の使用は、独自の研究分野となっている[17]。

ある例では、酢酸生成細菌Moorella Thermoaceticaを水溶性金ナノクラスターAuNC（主にAu22(SG)18）に曝露すると、AuNCは細胞間光合成装置として作用した。 このシステムに 532 nm の光が照射されると、光生成された電子は細胞質メディエーターを通って移動し、細胞膜を迂回して細菌に到達します。 その間、電子正孔はシステインによって満たされ、酸化が起こりました。 電荷移動により、最終的には、生物学的に適合性のある無機化合物を組み込んだ細菌細胞による CO2 からの酢酸の生成が可能になりました。 このシステムは 6 日間にわたって CO2 の固定を継続しました。 したがって、人工光合成への全細胞アプローチは成功裡に実行された[35]。

嫌気性微生物であるメタノサルシナ・バルケリを組み込んだ別のアプローチも、細菌種の生物学的機能と材料触媒を結び付けた。 このシステムは、天然に存在するニッケル依存性ヒドロゲナーゼにヒントを得た材料であるナノ粒子硫化ニッケル電極で構成された光電気化学セル内で行われました。 細菌の培養物をカソードに添加した。 可視光線にさらされると、起電性水素からの還元当量が CO2 の CH4 への還元に使用されます。 この装置の図を図 10 に示します。1 週間 7 日間の電気分解にわたって長期安定性が実証されました。 この間、パフォーマンスの低下は記録されず、システムは 24 時間に 1 回 CO2 を回復するだけで済みました。 したがって、CO2 の CH4 への還元はバイオハイブリッド システムによって実行されました。 [36]

図 10. CO2 還元による CH4 生成のための Methanosarcina barkeri の機能を組み込んだ光電気化学電池。 [36]

科学者はナノテクノロジーと分子操作の知識を活用して、さまざまな目的に役立つ戦略を実行します。 たとえば、元素ドーピングは、半導体に不純物を追加して機能を変えるために使用される技術の 1 つです。 望ましい機能には、幅広い光吸収能力、効率的な触媒性能、選択性が含まれます [13]。

さらに、分子コンポーネントに基づくデバイスの構築を扱う場合、超分子戦略が一般的に使用されます。 発色団の組織化により、より速い速度でエネルギーの集中と電荷分離が起こる可能性があります。 触媒の最適化の場合、触媒作用は超分子の事前組織化によって強化され、安定性は分解を防ぐ超分子のケージによって強化されます。 したがって、この方法で特定の機能を操作できることは、分子システムの大きな利点です。 [31]

さらに、さまざまなセル構成と構造の開発がデバイスの機能において重要な役割を果たします。 たとえば、単一の光電極をタンデム構成と比較すると、大きな差別化を決定できます。 同様に、光電気化学セルは、光電結合電解槽とは別の性能を示します[30]。 さらに、合理的なナノ構造化は、表面の機能化方法によって材料の動作に影響を与える機会を提供します。 材料の構造を微調整すると、そのメカニズムに大きな影響を与える可能性があります[13]。

最後に、動作条件も化学システムの動作に影響を与えるのに役立ちます。 具体的には、環境の温度、圧力、イオン濃度などに大きな余裕があります。 これらの条件を変更すると、同じセットアップでもまったく異なる結果が生じる可能性があります。 多くの場合、システムの温度または圧力を微調整すると、より効果的な効果が得られます [30]。

この分野全体で画期的な研究が行われていますが、実行可能なシステムに向けた取り組みはまだ初期段階にあります。 現時点で、研究者たちは人工光合成の多くの成功バージョンを達成しています。 しかし、提案されたすべての方法には、不十分な効率/速度、長期的な不安定性、または財務的費用のいずれかという欠点がありました[6]。 自然の光合成は進化の発展に何十億年もかかりましたが、人類は数十年かけて光合成を習得しようとしています。 専門家は、このタイプのシステムが産業利用できるようになるには少なくともあと 10 年はかかるだろうと予想しています [2]。

それにも関わらず、コスト効率が高く、堅牢でスケーラブルなシステムの探求は続いています。 The Liquid Sunlight Alliance (LiSA) および The Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE) と協力している研究者たちは、米国エネルギー省から付与された 1 億ドルの資金を利用してこの課題を取り締まり、間もなく技術を開発しています。大規模なアプリケーションの準備ができています。 さらに、この問題に焦点を当てているのは米国だけではありません。 この種の研究は、中国、日本、欧州連合など世界のさまざまな地域で盛んに研究されています[4]。 図 11 は、いくつかの国で人工光合成に関して発表された論文の数を示しています。

図 11. 2019 年現在までの各国の人工光合成に関する出版物の数の表示。[4]

人工光合成は、エネルギーを生成、貯蔵、輸送する効率的かつ持続可能なシステムを提供する可能性があります。 たとえば、化石燃料の有益な代替品として機能する炭化水素燃料の製造に使用できます。 また、さまざまな方法で応用できる水素燃料も生成できます。 光分解によって生成された水素を燃料電池に流すと、発電に使用できます[18]。 図 12 は、太陽エネルギーの生成、貯蔵、および利用に関する提案された概念を示しています。

図 12. 貯蔵可能な太陽燃料として水素を製造する将来の手段とその発電への応用に関する例示的な提案。 [18]

さらに、太陽電池パネルを屋根に設置して二次電源を提供できるのと同じように、将来の人工光合成装置は住宅の​​電力供給にも応用できる可能性があります。 代わりに、このシステムは、後で使用するためにエネルギーを保存する方法を提供します。

さらに、交通の世界では水素を燃料とする自動車が選択肢として浮上しています。 世界の石油枯渇量の 60% 以上が輸送に使用されています [18]。 したがって、電気自動車の人気はますます高まっており、トヨタ ミライ [37]、ヒュンダイ ネクソ [38]、ホンダ クラリティ [39] などのモデルは現在、人工光合成によって十分に生産できる水素を動力源としています。動力付き車両は、電気自動車業界内でいくつかの利点を主張しています。 たとえば、充電に何時間もかかり、燃料が切れてしまうほとんどの電気自動車とは異なり、燃料補給に必要な時間は約 3 分と短く、1 回のフル充電でガソリン車と同等の距離を走行できます。すぐに[44、45]。 さらに、環境への配慮の観点から、水素燃料自動車は有害な副産物を排出せず、これはガソリン自動車が主張できる量を上回っています [44]。

さらに、人工光合成を利用して車両燃料用の水素を製造するシステムも、仮に実用化される可能性がある。 物事を大局的に考えると、1モルの水素を生成するには4モルの太陽光光子が必要です。 地球の表面は、1 日に平均 1 平方メートルあたり 10 ～ 120 モルの光子にさらされます。 これは、毎日 1 平方メートルあたり 2.5 ～ 30 モルの水素が生成される可能性があることを意味します。 これは、1 平方メートルあたり 1 日あたり約 5 ～ 60 グラムの水素に相当し、ホンダ クラリティの走行には 1 日あたり約 500 グラムの水素が使用されます。 したがって、車に燃料を供給するのに必要な面積は、ガレージの屋根ほどの 10 ～ 20 平方メートルだけです。 [18]

人工光合成は、豊富な再生可能な投入物からエネルギー豊富な燃料を生産する自然の最も効果的な方法を模倣するための鍵です。 水や二酸化炭素などの化学的に変換された天然資源を利用して社会に電力を供給することは、私たちの将来にとって理想的です。 最適化されたシステムでは、環境から過剰な CO2 を抽出し、同時に酸素を環境に戻すように人工光合成装置を設計できます。 したがって、この方法は有害な副産物を含まないクリーンな燃料を生成する方法であるだけでなく、地球温暖化の逆転にも貢献するでしょう [2]。 労力はかかりますが、人工光合成による再生可能エネルギーの概念は価値があり、有望な解決策です。

著者について:

ラジ・シャー博士は、ニューヨークのケーラー・インスツルメント・カンパニーの取締役であり、過去 25 年間、そこで働いています。 彼は、IChemE、CMI、STLE、AIC、NLGI、INSTMC、エネルギー協会、王立化学協会の同僚によってフェローに選出されています。ASTM イーグル賞受賞者であるシャー博士は、最近、ベストセラー「燃料および潤滑剤ハンドブック」を共同編集しました。詳細については、https://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/MNL/SOURCE_PAGES/MNL372ND_foreword.pdf をご覧ください。

ペンシルベニア州立大学で化学工学の博士号を取得し、ロンドンのチャータード・マネジメント・インスティチュートのフェローでもあるシャー博士は、科学評議会の公認科学者、エネルギー協会の公認石油エンジニア、およびエネルギー協会の公認エンジニアでもあります。英国エンジニアリング評議会。 ニューヨーク州立大学ストーニーブルック校材料科学・化学工学部の非常勤教授であり、350 冊以上の著書があり、30 年にわたり代替エネルギー分野で活躍しています。

Raj の詳細については、次の Web サイトを参照してください。

https://www.petro-online.com/news/fuel-for-thought/13/koehlerinstrument-company/dr-raj-shah-director-at-koehler-instrumentcompany-conferred-with-multifarious-accolades/53404

エリアナ・マシル女史は、ケーラー・インスツルメント社の活発なインターンシップ・プログラムの一員であり、ニューヨーク州立大学ストーニーブルック校の学生でもあります。シャー博士は現在、化学工学部の社外諮問委員会の委員長を務めています。

Gabrielle Massoud 氏は、化学工学の学士号と生物医用工学の修士号を取得しています。 彼女はエネルギー分野で 20 年以上の経験があり、以前はエクソンモービルとソルテックス社で働いていました。 最近、彼女は代替エネルギー、バイオポリマーの分野で研究しており、地球のための持続可能な解決策を見つける分野で活動しています。

参照

[1] Styring S. 太陽燃料のための人工光合成。 ファラデーについて議論します。 2012;155:357–76。

[2] Layton J. 人工光合成のしくみ [インターネット]。 HowStuffWorks サイエンス。 HowStuffWorks; 2020年[2021Jan31引用]。 以下から入手可能: https://science.howstuffworks.com/environmental/green-tech/energy-production/artificial-photoSynthetic.htm

[3] Purchase R、De Vriend H、De Groot H. Harmsen P、Bos H、編集者。 人工光合成 太陽光を燃料に変換します。 2015年12月;

[4] デュラント J. 人工光合成 - 結論。 ファラデーの議論。 2019年6月5日;

[5] Bennett2009-04-28T14:22:16+01:00 H. 人工葉 [インターネット]。 化学の世界。 2009年[2021Jan31引用]。 以下から入手可能: https://www.chemistryworld.com/features/the-artificial-leaf/3004813.article

[6] 人工光合成 [インターネット]。 グリーンエイジ。 2017年[2021Jan31引用]。 以下から入手可能: https://www.thegreenage.co.uk/tech/artificial-photoSynthetic/

[7] Davey T. 人工光合成: 植物だけでなく太陽のエネルギーも活用できますか? [インターネット]。 未来の生命研究所。 タッカー・デイビー https://futureoflife.org/wp-content/uploads/2015/10/FLI_logo-1.png; 2018年[2021Jan31引用]。 から入手可能: https://futureoflife.org/2016/09/30/artificial-photoSynthetic/

[8] エネルギー省、人工光合成研究に 1 億ドルを発表 [インターネット]。 エネルギー政府 [2021Jan31引用]。 以下から入手可能: https://www.energy.gov/articles/Department-energy-announces-100-million-artificial-photoSynthetic-research

[9] 光合成の基礎 | PRO-MIX 温室栽培 [インターネット]。 [2021Jan31引用]。 以下から入手可能です: https://www.pthorticulture.com/en/training-center/basics-of-photoSynthetic/

[10] ヴィディヤーサーガル A. 光合成とは何ですか? [インターネット]。 ライブサイエンス。 パーチ; 2018年[2021Jan31引用]。 以下から入手可能: https://www.livescience.com/51720-photoSynthetic.html

[11] Andreiadis ES、Chavarot-Kerlidou M、Fontecave M、Artero V. 人工光合成: 光駆動水分解用の分子触媒から光電気化学電池まで。 光化学と光生物学。 2011;87(5):946–64。

[12] Poudyal RS、Tiwari I、Koirala AR、Maskawa H、Inoue K、Tomo T、他。 光生物学的手法を使用した水素生成。 水素エネルギーの概要。 2015;:289–317。

[13] バーバー・J、トランPD。 自然光合成から人工光合成へ。 王立協会インターフェース誌

この投稿にはコメントがありません。 まずは以下にコメントを残してください。

コメントを投稿するにはログインする必要があります。 ここでログイン。