神奈川県川西市、2022年11月15日 /PRNewswire/ — 世界的な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、ますます深刻化している。
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。この点において、「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、太陽エネルギーから燃料や化学物質の原料となる有機物を生成することができます。同時に、エネルギーや化学物質の生産に利用される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構成される超多孔性材料です。ナノスケールで分子レベルで制御でき、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、触媒作用、薬剤送達、水処理、センサー、電極、フィルターなど、幅広い用途に利用できます。近年、MOFはCO2を捕捉する能力を持つことが発見されており、CO2光還元（人工光合成とも呼ばれる）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、極めて微小な材料（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から構成されているため、「人工原子」または「人工分子」と呼ばれています。このサイズ範囲では、量子閉じ込め効果と呼ばれる物理現象により、電子のエネルギー準位は連続ではなくなり、分離します。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、多重励起子生成能力、および大きな表面積を持つことから、人工光合成にも応用できます。
グリーンサイエンスアライアンスは、MOFと量子ドットの両方を合成しました。これまで、MOF-量子ドット複合体を用いて、人工光合成用の特殊触媒であるギ酸を製造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回収する必要があるため、連続的なプロセスとはならず、実際の工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、岩林博久氏、森良平博士は、独自の技術を用いてこれらの特殊な人工光合成触媒を安価な繊維素材に固定化し、新たなギ酸製造プラントを開設した。このプロセスは連続運転が可能で、実用的な産業用途にも対応できる。人工光合成反応が完了した後、ギ酸を含む水を取り出して抽出し、容器に新しい水を加えることで、人工光合成を再開できる。
ギ酸は水素燃料の代替となり得る。水素を基盤とした社会の世界的な普及を阻む主な理由の一つは、宇宙最小の原子である水素の貯蔵が難しく、密閉された水素貯蔵施設を建設するには莫大な費用がかかることである。さらに、水素ガスは爆発性があり、安全上の危険を伴う。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ある。必要に応じて、ギ酸は反応を触媒してその場で水素を生成することもできる。加えて、ギ酸は様々な化学物質の原料としても利用できる。
人工光合成の効率は現状ではまだ非常に低いものの、グリーンサイエンスアライアンスは効率向上と真に実用的な人工光合成の導入に向けて、今後も努力を続けていく。