川西市、日本、2022年11月15日 /PRNewswire/ -- 人口爆発により、気候変動、天然資源の枯渇、種の絶滅、プラスチック汚染、森林破壊などの環境問題が世界中で悪化しています。
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。この点において、「人工光合成（CO2光還元）」と呼ばれるプロセスは、植物と同様に、CO2、水、そして太陽エネルギーから燃料や化学物質の有機原料を生産することができます。同時に、CO2をエネルギーや化学資源の生産原料として利用するため、CO2排出量も削減できます。そのため、人工光合成は最新のグリーンテクノロジーの一つと考えられています。
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。ナノメートル領域の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は光還元CO2、すなわち人工光合成を可能にするCO2捕捉能を有することが発見されました。
一方、量子ドットは、量子化学および量子力学の法則に従う光学特性を持つ超薄型材料（0.5～9 nm）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ため、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の下で合成されてきました。これまでに、MOF量子ドット複合材料を用いて、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、実用的な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シート上に固定化する技術を駆使し、連続運転が可能なギ酸製造プロセスを開発しました。このプロセスは、実用化に向けた工業的応用において、連続運転が可能です。人工光合成反応終了後、ギ酸を含む水を取り出し、抽出し、新たな水を容器に戻すことで、人工光合成を継続的に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る。世界中で水素社会の普及を阻んでいる主な理由の一つは、水素が宇宙で最も小さな原子であるため貯蔵が難しく、高い密閉効果を持つ水素タンクの製造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、安全上の問題も生じる可能性がある。ギ酸は液体であるため、燃料として貯蔵しやすい。必要に応じて、ギ酸を触媒として水素をその場で生成することもできる。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ある。
人工光合成の効率はまだ低いですが、グリーンサイエンスアライアンスは人工光合成の実用化に向けて、今後も効率向上に取り組んでいきます。