[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

太陽光変換効率10%での人工光合成を達成

[スポンサーリンク]

太陽光エネルギーの効率的な変換は21世紀において最も重要な研究テーマの一つであり、世界中で高効率化の競争が行われています。特に人工光合成、つまり水とCO2のみから太陽光エネルギーで有機物に変換する反応はまさに夢の反応の一つです。この反応は世界に先駆けて日本で初めて実証されましたが、残念なことに変換効率は0.04%程度でした。[1]

今回、パーソナライズド・エナジー構想で知られるHarvard大、D. Nocera教授のグループが中心となり、太陽光変換効率が7.1-9.7%でポリヒドロキシ酪酸、2-プロパノールとC4以上のアルコールを選択的に生成が可能なシステムを開発しScience誌に掲載されました。

“Liu, C.; Colón, B. C.; Ziesack, M.; Silver, P. A.; Nocera, D. G., Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis. Science 2016, 352 (6290), 1210-1213.”

 

報告された人工光合成の仕組み

今回の報告では2種類の電極(Co-P合金とリン酸コバルト)による水分解によって得られるH2を使い、Ralstonia eutrophaという菌によってCO2を有機物に変換しています。[2] 下の図1に示すように、水分解(H2O => H+ O2)は陽極側で水が酸化され(2H2O => 4H+ O+ 4e)、この際生じる電子が陰極側へ運ばれH+を還元し水素を生成(4H++4e=>2H2)します。つまり、水素生成量は回路に流れる電流と相関があり、図2に示すようにCo-P合金は他の電極に比べ(絶対値が)大きい電流が得られており、水素生成活性が高い事が分かります。これによって大量のH2を作り出し、細菌による有機物合成を促進させることができます。また驚くことに、少なくとも16日間はCo-P電極の活性低下はほぼ見られませんでした。

1

図1.電極を用いた水分解(文献[2]のFigure 1Aより)

2

図2.異なる電極によるバイアス電圧に対して得られる電流値(文献[2]のFigure 1Bより)

細菌による有機物生成を最大化する

Co-P合金の水素生成活性が高い事は図2に示す通りですが、この電極最大の特徴はH2とCO2から有機物を生成する細菌に対して”優しい”ことです。図1に示す様に陰極でH+が還元されるのですがこれによって水素だけでなく、細菌を殺してしまうH2O2も生成される可能性があります。しかも水素酸化還元電位に対してH2O2生成(4H+ 4e– + O=> 2H2O2)の酸化還元電位は+0.5 eVなので、H2O2生成を抑えながらH2を生成するが非常に難しい事が分かります。ところが図3に示すようにCo-P合金電極からは全くH2O2が生成されていません。これによってCo-P電極上の細菌がH2O2によるダメージを受けず、高活性が長期間維持できます。また細菌の種類によりH2とCO2を、ポリヒドロキシ酪酸、2-プロパノールとC4以上のアルコールを効率40-50%程度で選択的に生成できます。

3

図3.異なる電極によって得られるH2O2(文献[2]のFigure 1Cより)

既存の太陽電池につなげば最大約10%の効率

このシステムにおいて、投入される電気エネルギーに対して得られる有機物の合計エネルギーの割合が最大54%になるので、既存の太陽電池(太陽光変換効率:18%)にこのシステムをつなげば太陽光エネルギーに対して9.7%の効率で有機物が得られます。今後、電極の改良によるさらなる高活性化や細菌の選択による選択性の向上、さらに生成物を連続的に分離できるシステムの開発が期待されます。

参考文献

  1.  Sato, S.; Arai, T.; Morikawa, T.; Uemura, K.; Suzuki, T. M.; Tanaka, H.; Kajino, T., Selective CO2 conversion to formate conjugated with H2O oxidation utilizing semiconductor/complex hybrid photocatalysts. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (39), 15240-15243. DOI:10.1021/ja204881d
  2. Liu, C.; Colón, B. C.; Ziesack, M.; Silver, P. A.; Nocera, D. G., Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis. Science 2016, 352 (6290), 1210-1213. DOI:10.1126/science.aaf5039

関連書籍

関連リンク

The following two tabs change content below.

関連記事

  1. C70の中に水分子を閉じ込める
  2. シンプルなα,β-不飽和カルベン種を生成するレニウム触媒系
  3. 第4回慶應有機化学若手シンポジウム
  4. 企業の研究開発のつらさ
  5. 「同時多発研究」再び!ラジカル反応を用いたタンパク質の翻訳後修飾…
  6. 分子構造を 3D で観察しよう (2)
  7. ケミカル数独
  8. 電気刺激により電子伝導性と白色発光を発現するヨウ素内包カーボンナ…

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 光化学スモッグ注意報が発令されました
  2. C–NおよびC–O求電子剤間の還元的クロスカップリング
  3. 市川アリルシアナート転位 Ichikawa Allylcyanate Rearrangement
  4. もっと化学に光を! 今さらですが今年は光のアニバーサリーイヤー
  5. N-フルオロ-N’-(クロロメチル)トリエチレンジアミンビス(テトラフルオロボラート):N-Fluoro-N’-(chloromethyl)triethylenediamine Bis(tetrafluoroborate)
  6. 有機反応を俯瞰する ー縮合反応
  7. Bayer/Janssen Rivaroxaban 国内発売/FDA適応拡大申請
  8. 円偏光発光を切り替える色素ー暗号通信への応用に期待ー
  9. オキソアンモニウム塩を用いたアルデヒドの酸化的なHFIPエステル化反応
  10. よう化サマリウム(II):Samarium(II) Iodide

関連商品

注目情報

注目情報

最新記事

光/熱で酸化特性のオン/オフ制御が可能な分子スイッチの創出に成功

第244回のスポットライトリサーチは、北海道大学大学院総合化学院・林 裕貴さんにお願いしました。…

続・企業の研究を通して感じたこと

自分は、2014年に「企業の研究を通して感じたこと」という記事を執筆しましたが、それから5年が経ち、…

第49回―「超分子の電気化学的挙動を研究する」Angel Kaifer教授

第49回の海外化学者インタビューは、エンジェル・カイファー教授です。マイアミ大学化学科で超分子系電気…

日本化学会 第100春季年会 市民公開講座 夢をかなえる科学

■ 概要企画名:    市民公開講座 夢をかなえる科学主催:        公益社団法人…

第48回―「周期表の歴史と哲学」Eric Scerri博士

第48回の海外化学者インタビューは、エリック・セリー博士です。英国で教育を受け、カリフォルニア大学ロ…

ペプチド縮合を加速する生体模倣型有機触媒

2019年、ニューヨーク大学のParamjit S. Aroraらは、活性アシル中間体への求核付加遷…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP