世界初！「人工光合成」の実証実験に成功！水とCO2で有機物（ギ酸）ができた！ : サイエンスジャーナル

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人工光合成の夢
光合成は明反応（光化学反応）と暗反応（カルビン回路）の2つの段階に大別される。明反応（光化学反応）は光エネルギーからNADPHとATPを合成する過程で、明反応は葉緑体の中のチコライドという円盤状の器官で行われる。クロロフィルが光エネルギーによって活性クロロフィルとなり、活性クロロフィルは水を水素と酸素に分解する。同時にADPからATPがつくられる。また水素はNADPをNADPHに変える。

暗反応（カルビン回路）ではNADPHとATPを使ってCO2とH2Oから糖を合成する過程である。カルビン回路による糖の合成は葉緑体の中にある、ストロマで行われる。明反応は光を必要とするが、暗反応では光がなくても進行するため、こう呼ばれる。ただし、暗所では炭酸固定活性が低下する。

植物が行っている光合成を、化学的にもできるようになれば、地球温暖化の問題や食糧問題、エネルギー問題など、人類が抱えているすべての問題を解決することができるかもしれない。今回、トヨタ中央研究所では、太陽光エネルギーを利用して水と二酸化炭素（CO2）のみを原料に有機物を合成する人工光合成の実証に成功した。人工光合成の成功は世界で初めてだという。

Photosynthesis

人工光合成に成功
今回開発した技術は、1．水から電子を抽出する酸化反応 2．抽出した電子でCO2を還元して有機物を合成する還元反応 3．この二つの反応を組み合わせ、それを光エネルギーで促進させるもの（図1）。

研究チームは、半導体と金属錯体から構成される新しいコンセプトのCO2還元光触媒を開発した（図２）。この触媒、および水を酸化分解して電子を抽出する光触媒を、プロトン交換膜を介して組み合わせることで、太陽光を利用して有機物であるギ酸を合成できることを実証した。

この技術はカーボンニュートラルな社会の実現に向けて、大きな足掛かりとなるものである。今回は原理の実証を行った段階であり、この技術の実用化にはまだ多くの研究課題が残っている。本方式における太陽光エネルギー変換効率は現在0.04％であり、これは一般的な植物の光合成効率の1/5程度である。今後研究チームは植物を越える効率の実現と、メタノールなどのより付加価値の高い有機物の合成技術の実現に取組む予定だ。

本成果は9月7日付、米国化学会誌Journal of the American Chemical Society電子版に掲載された。（2011年9月20日豊田中央研究所）

人工光合成とは？
人工光合成（Artificial photosynthesis）は、文字通り光合成を人為的に行う技術のこと。自然界での光合成は、水・二酸化炭素と、太陽光などの光エネルギーから化学エネルギーとして炭水化物などを合成するものであるが、広義の人工光合成には太陽電池を含むことがある。自然界での光合成を完全に模倣することは実現していないが、部分的には技術が確立している。

エネルギー資源の化石燃料からの置き換え、また炭酸固定により、地球温暖化の原因と考えられている二酸化炭素の排出量抑制が期待される。従来の太陽電池では電力貯蔵の問題が生じるが、人工光合成では化学エネルギーを生成することにより、エネルギー貯蔵が容易になる。

光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換する光化学反応（明反応）と、化学エネルギーから糖を合成するカルビン回路（暗反応）に大別できる。太陽光を集光する「光捕集系」ではクロロゾーム (Chlorosome) の人工的利用が研究されている。「反応中心」では酸化還元因子を組み込んだ合成ペプチドを利用した研究や、自然界でのバクテリオクロロフィルに代え、亜鉛クロリンやフリーベースポルフィリンを用いた研究が行われている。

Acr+-Mesを光触媒とし、白金クラスタを用いることによりNADHを電子源とし効率よく水素が発生することが発見された。水素はCO2固定触媒でギ酸として貯蔵することが考えられている。必要に応じてギ酸分解触媒により水素を取り出すことが可能である。二酸化炭素の固定に関しては、合理的な遺伝子操作を施したCO2固定酵素RuBisCOの利用が考えられる。

ランタンを1%ほどドープし、表面に酸化ニッケルを塗布したタンタル酸ナトリウムに波長300nm以下の紫外光を当てると水が分解され、酸素と水素を生じる。この反応は量子収率50%を越え、2005年日本国際博覧会にも出展されたが、紫外光しか使えないため実用化には至っていなかった。

ロジウムをドープしたチタン酸ストロンチウムは、可視光線を照射することにより水を還元し水素を発生する光触媒であることが発見され、同様に可視光で酸素を発生するバナジン酸ビスマスと組み合わせることにより、水の分解に成功している。この反応は電子の流れから「Zスキーム」と呼ばれるが、量子収率は約3%、太陽光エネルギーの変換効率は0.1%ほどである。

純粋な水の分解ではないが、硫黄系還元剤を含む水溶液に、金属の硫化物を触媒として可視光線を照射すると水素を生じる反応も発見されている。（Wikipedia）

歴史と将来展望
太陽電池の研究は19世紀から始まり、1839年にフランスの物理学者アレクサンドル・エドモン・ベクレルが光起電力効果を発見、1884年にはアメリカの科学者チャールズ・フリッツ (Charles Fritts) が世界初の太陽電池を製作した。

一方光合成の研究は1910年頃から行われ、1956年にルドルフ・マーカスにより電子移動反応理論を発表。1972年には東京大学の本多健一と藤嶋昭により、酸化チタン電極を用い、紫外線を照射することにより水を水素と酸素に分解する本多-藤嶋効果が発表された。

1974年から2000年にかけては、日本の新エネルギー研究プロジェクトであるサンシャイン計画・ニューサンシャイン計画が実行された。2011年には、根岸英一らと文部科学省とが人工光合成などの技術革新の具体化を進めることで合意した。

2011年4月、大阪市立大学の研究チームは植物での光合成の基となるタンパク質複合体の構造を解明。同じ構造を持つ触媒により、2020年までに二酸化炭素と水からメタノール燃料の製造を行う構想を打ち出している。今回（2011年9月）、トヨタが世界で初めて、水と二酸化炭素と太陽光のみを用いた人工光合成に成功した。特殊な光触媒を用いることで、犠牲薬を添加することなく擬似太陽光での有機物の生成を可能にした。（Wikipedia）

参考HP Wikipedia 人工光合成
豊田中央研究所 人工光合成の実証実験に世界で初めて成功！