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2024.02.01
カテゴリ： 科学
岡山大異分野基礎科学研究所の沈建仁教授（生化学）、菅倫寛教授（構造生物学）らの研究グループは、植物が光合成する際に水を分解して酸素の生成を準備するまでのメカニズムを解明した。１日に英科学誌「ネイチャー」に掲載。環境に優しいエネルギーの生産が可能な人工光合成の技術確立に向けた大きな一歩として注目される。
植物の光合成では、「ＰＳII」と呼ばれるタンパク質の複合体が水を分解して酸素と水素イオンを生成する触媒としての役割を担っている。グループは、ＰＳIIの結晶に光を照射した後の水の動きをナノ秒（１０億分の１秒）単位で捉えることに成功。水から水素イオンが分離して残った酸素が一時的にカルシウムにくっつき、その後にマンガンの間に結合することが分かった。
これまでＰＳII内で分解される水の経路は分かっていなかった。今回の研究は、物質の動きや変化を原子レベルで調べられる「エックス線自由電子レーザー」がある理化学研究所の施設「ＳＡＣＬＡ（サクラ）」（兵庫県佐用町）を活用した。
人工光合成が実現すれば、水分解で生じた水素イオンなどで水素を作って燃料電池に活用したり、電気を生み出したりすることができるという。菅教授は「膨大なデータを解析し、成果を出すまでに５年がかかった。人工光合成における触媒の設計に役立つ結果が出せた」としている。
引用サイト：山陽新聞 こちら
参考サイト：岡山大学 こちら
Wikipedia情報 人工光合成 こちら
人工光合成の研究の方向性として大きく2つあり、
一つは、光エネルギーを使って｢ 水を分解して水素を作る研究｣
もう一つは｢ CO2を『還元』して有機化合物を合成する研究 ｣である。
2020年5月29日 新エネルギー・産業技術総合開発機構（ NEDO ）が世界初の100％に近い量子収率で水を分解する光触媒を開発[27]。
2021年4月21日、 トヨタグループ の研究所、豊田中央研究所が36cm角のセルで実現し、太陽光変換効率7.2％を達成したと発表した[28]。
2021年12月8日、豊田中央研究所は、1m角人工光合成セルでエネルギー変換効率10.5%を達成したと発表した[6][29][30][31]。
2023年10月27日、 NTT は、太陽光エネルギーを利用する半導体光触媒と二酸化炭素を還元する金属触媒を電極として組み合わせた人工光合成デバイスを作製し、世界最長の350時間連続炭素固定を実現したと発表した[32]。
メリット：
太陽エネルギー は直接に変換されそして蓄積される。太陽光発電のセルでは、太陽光は電気へと変換される、そしてそのとき、二次的変換に結びついたなんらかの必要なエネルギーの損失をもって、保存のための科学的エネルギーに再度変換される。
人工的に合成された燃料は、輸送や家庭のために使える、カーボンニュートラルなエネルギー源になる だろう。
再生可能エネルギー発電の利用には、既存の自動車のEVへの置換、スマートグリッドや充電ステーションのような新たな送給電インフラ整備の莫大なコストがかかる。これに対し、人工光合成産物は従来の
デメリット：
炭素などの原子を介して反応させるため理論効率が電子のみ移動する太陽光発電より低い。 これは将来的にも効率で太陽光発電に勝てない事を意味する。
人工光合成に使う水の管理が必要になる。 藻の発生
太陽光発電の広い普及には設置場所の制約が少なかった事が理由にある。しかし人工光合成には水の管理、触媒の管理、そして作られた有機物水溶液を輸送する必要が有る。これらを考慮すると太陽光発電に対して 維持管理コスト で勝つ事がかなり難しくなる。
人工光合成に使う諸材料はしばしば 水の中で腐食し 、長期間の経時で太陽光発電よりも不安定になる。その存在において不活性もしくは劣化する、多くの水素触媒は、酸素に対して非常に敏感である；光による損傷も時間が経つ間に起きるかもしれない[33][34]。これは太陽光発電に対して耐久性で大きく劣る事を意味している。
費用 は、エネルギー源の商業用の産出として、化石燃料と競合するには、（まだ）十分有利ではない[35]。
二酸化炭素から有機物の合成は電力のみでも可能である為、わざわざ維持管理が難しい人工光合成を広大な敷地で行うよりも、安価な太陽光発電で得られた電力を使い、工場などで有機物を合成した方が効率的である。[36][37]
触媒計画において扱われるひとつの重要なことは、効率性である、とりわけ実際に光の照射をどれだけシステムで活用できるかである。これは、化学的エネルギーへの光の変換が測定される、光合成の効率で比較しうる。光合成組織はおおよそ50％の太陽放射の投射を集めることができる、しかしながら変換能力の理論的な限界は、C3ならびにC4植物では順に4.6と6.0％である[38]。実際には、光合成の効率は、熱帯気候のサトウキビのようないくつかの例を除いて、とても低く通常は1％以下である[39]。対照的に、人工光合成の研究室の試作品についての報告された最大の効率は22.4％である[40]。
植物の光合成では、「ＰＳII」と呼ばれるタンパク質の複合体が水を分解して酸素と水素イオンを生成する触媒としての役割を担っている。グループは、ＰＳIIの結晶に光を照射した後の水の動きをナノ秒（１０億分の１秒）単位で捉えることに成功。水から水素イオンが分離して残った酸素が一時的にカルシウムにくっつき、その後にマンガンの間に結合することが分かった。
これまでＰＳII内で分解される水の経路は分かっていなかった。今回の研究は、物質の動きや変化を原子レベルで調べられる「エックス線自由電子レーザー」がある理化学研究所の施設「ＳＡＣＬＡ（サクラ）」（兵庫県佐用町）を活用した。
人工光合成が実現すれば、水分解で生じた水素イオンなどで水素を作って燃料電池に活用したり、電気を生み出したりすることができるという。菅教授は「膨大なデータを解析し、成果を出すまでに５年がかかった。人工光合成における触媒の設計に役立つ結果が出せた」としている。
引用サイト：山陽新聞 こちら
参考サイト：岡山大学 こちら
Wikipedia情報 人工光合成 こちら
人工光合成の研究の方向性として大きく2つあり、
一つは、光エネルギーを使って｢ 水を分解して水素を作る研究｣
もう一つは｢ CO2を『還元』して有機化合物を合成する研究 ｣である。
2020年5月29日 新エネルギー・産業技術総合開発機構（ NEDO ）が世界初の100％に近い量子収率で水を分解する光触媒を開発[27]。
2021年4月21日、 トヨタグループ の研究所、豊田中央研究所が36cm角のセルで実現し、太陽光変換効率7.2％を達成したと発表した[28]。
2021年12月8日、豊田中央研究所は、1m角人工光合成セルでエネルギー変換効率10.5%を達成したと発表した[6][29][30][31]。
2023年10月27日、 NTT は、太陽光エネルギーを利用する半導体光触媒と二酸化炭素を還元する金属触媒を電極として組み合わせた人工光合成デバイスを作製し、世界最長の350時間連続炭素固定を実現したと発表した[32]。
メリット：
太陽エネルギー は直接に変換されそして蓄積される。太陽光発電のセルでは、太陽光は電気へと変換される、そしてそのとき、二次的変換に結びついたなんらかの必要なエネルギーの損失をもって、保存のための科学的エネルギーに再度変換される。
人工的に合成された燃料は、輸送や家庭のために使える、カーボンニュートラルなエネルギー源になる だろう。
再生可能エネルギー発電の利用には、既存の自動車のEVへの置換、スマートグリッドや充電ステーションのような新たな送給電インフラ整備の莫大なコストがかかる。これに対し、人工光合成産物は従来の
デメリット：
炭素などの原子を介して反応させるため理論効率が電子のみ移動する太陽光発電より低い。 これは将来的にも効率で太陽光発電に勝てない事を意味する。
人工光合成に使う水の管理が必要になる。 藻の発生
太陽光発電の広い普及には設置場所の制約が少なかった事が理由にある。しかし人工光合成には水の管理、触媒の管理、そして作られた有機物水溶液を輸送する必要が有る。これらを考慮すると太陽光発電に対して 維持管理コスト で勝つ事がかなり難しくなる。
人工光合成に使う諸材料はしばしば 水の中で腐食し 、長期間の経時で太陽光発電よりも不安定になる。その存在において不活性もしくは劣化する、多くの水素触媒は、酸素に対して非常に敏感である；光による損傷も時間が経つ間に起きるかもしれない[33][34]。これは太陽光発電に対して耐久性で大きく劣る事を意味している。
費用 は、エネルギー源の商業用の産出として、化石燃料と競合するには、（まだ）十分有利ではない[35]。
二酸化炭素から有機物の合成は電力のみでも可能である為、わざわざ維持管理が難しい人工光合成を広大な敷地で行うよりも、安価な太陽光発電で得られた電力を使い、工場などで有機物を合成した方が効率的である。[36][37]
触媒計画において扱われるひとつの重要なことは、効率性である、とりわけ実際に光の照射をどれだけシステムで活用できるかである。これは、化学的エネルギーへの光の変換が測定される、光合成の効率で比較しうる。光合成組織はおおよそ50％の太陽放射の投射を集めることができる、しかしながら変換能力の理論的な限界は、C3ならびにC4植物では順に4.6と6.0％である[38]。実際には、光合成の効率は、熱帯気候のサトウキビのようないくつかの例を除いて、とても低く通常は1％以下である[39]。対照的に、人工光合成の研究室の試作品についての報告された最大の効率は22.4％である[40]。
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