川西（日本）、2022年11月15日 /PRNewswire/ -- 世界の人口増加によって引き起こされる気候変動、資源枯渇、種の絶滅、プラスチック汚染、森林破壊などの環境問題は、より切迫したものになっています。
二酸化炭素（CO2）は温室効果ガスであり、気候変動の主な原因の一つです。この点、「人工光合成（二酸化炭素の光還元）」と呼ばれるプロセスは、植物と同様に二酸化炭素、水、そして太陽エネルギーから燃料や化学品の有機原料を生産することができます。同時に、エネルギーや化学品生産の原料として利用されるCO2の排出量を削減します。そのため、人工光合成は最も先進的なグリーンテクノロジーの一つとして知られています。
MOF（金属有機構造体）は、無機金属と有機リンカーのクラスターからなる超多孔性材料です。ナノ領域において分子レベルで制御可能で、大きな表面積を有します。これらの特性により、MOFはガス貯蔵、分離、金属吸着、触媒、薬物送達、水処理、センサー、電極、フィルターなどの用途に応用できます。近年、MOFはCO2を捕捉する能力を持つことが明らかになっており、CO2光還元（人工光合成）によって有機物質を生成するために利用できます。
一方、量子ドットは、量子化学と量子力学の法則に従う光学特性を持つ超微小物質（0.5～9ナノメートル）です。量子ドットはわずか数個から数千個の原子または分子で構成されているため、「人工原子」または「人工分子」と呼ばれます。このサイズ範囲では、電子のエネルギー準位は連続しなくなり、量子閉じ込め効果と呼ばれる物理現象により分離されます。この場合、放出される光の波長は量子ドットのサイズに依存します。これらの量子ドットは、高い光吸収能力、複数の励起子生成能力、そして大きな表面積を有することから、人工光合成にも応用できます。
MOFと量子ドットは、いずれもグリーンサイエンスアライアンスによって合成されています。同アライアンスはこれまでに、MOF-量子ドット複合体を用いて、人工光合成用の特殊触媒としてギ酸を生成することに成功しています。しかし、これらの触媒は粉末状であり、各工程でろ過によって触媒粉末を回収する必要があります。そのため、これらのプロセスは連続的ではなく、実際の産業用途への応用は困難です。
これに対し、グリーンサイエンスアライアンス株式会社の梶野哲郎氏、岩林宏久氏、森良平博士は、これらの特殊な人工光合成触媒を安価な繊維に固定化する技術を駆使し、新たなギ酸プラントを稼働させました。このプロセスは連続運転が可能で、産業応用が可能です。人工光合成反応終了後、ギ酸を含む水を取り出し、抽出した後、新たな新鮮な水を容器に注入することで、人工光合成を再開することができます。
ギ酸は水素燃料の代替となり得ます。水素社会の世界的な普及を阻む主な理由の一つは、宇宙で最も小さな原子である水素の貯蔵が困難であり、密閉性の高い水素貯蔵タンクの建設には莫大な費用がかかることです。さらに、水素ガスは爆発性があり、安全上の問題を引き起こす可能性があります。ギ酸は液体であるため、燃料として貯蔵するのがはるかに容易です。必要に応じて、ギ酸は反応を触媒し、その場で水素を生成することができます。さらに、ギ酸は様々な化学薬品の原料としても利用可能です。
人工光合成の効率は現時点ではまだ非常に低いですが、グリーンサイエンスアライアンスは、効率を高め、真に応用可能な人工光合成を導入するために、今後も努力を続けます。