日本、川西、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、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、CO2はエネルギーや化学資源の生産における原料として利用されるため、CO2排出量の削減にもつながります。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して注目されています。
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。ナノメートルスケールの分子レベルで構造を制御でき、大きな表面積を有しています。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、幅広い用途に応用されています。近年、MOFは光還元CO2、すなわち人工光合成によるCO2捕捉能力を有することが明らかになっています。
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薄型材料（0.5～9 nm）です。各量子ドットはわずか数個または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。
MOFと量子ドットはどちらもグリーンサイエンスアライアンスの下で合成されています。これまで、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ります。そのため、これらの工程は連続的ではなく、実用的な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、自社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シートに固定化し、実用的な産業用途で連続運転が可能なギ酸製造の新プロセスを開発した。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、容器に新しい新鮮な水を補充することで、人工光合成を連続的に再開できる。
ギ酸は水素燃料の代替となり得る。水素社会の世界的な普及を阻む主な理由の一つは、水素が宇宙最小の原子であるため貯蔵が難しく、高い密閉性を持つ水素タンクの製造コストが非常に高額になることである。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、燃料として貯蔵しやすい。必要に応じて、ギ酸は水素をその場で生成する触​​媒として使用できる。また、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まだ低いものの、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、効率向上のための取り組みを継続していく。