2014年01月22日08:48
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簡單用一句話概括人工光合作用的研究，就是尋找氧化水的催化劑，和還原二氧化碳的催化劑。而且，關鍵在於催化劑要用陽光全部波長40％以上的“可見光”，而非隻佔不到2％的“紫外線”。
在一般的光合作用中，發揮催化劑作用的是含有葉綠素的光反應中心。而天然光反應中心的原理令人驚嘆，人工根本無法模仿。要以人工方式，達到生物在近30億年的進化中掌握的“絕技”，並不是一件容易的事情。
於是，現在出現了三個研究方向：第一是直接使用“植物功能”﹔第二是使用“金屬絡合物”作為催化劑﹔第三則是使用“半導體”作催化劑。
“直接使用植物功能”是讓植物直接完成能源轉換效率較高的光反應。比方說，提取植物葉片的類囊體膜，夾在透明薄板中，向薄板照射陽光，從水中奪取電子。而植物能源轉換效率較低的暗反應則由人工進行。
這種方法的弱點是難以維持性能。活體植物的反應中心每30分鐘再生1次，而這種方法無法實現組織的再生。
“使用金屬絡合物作為催化劑”最接近傳統的光合作用。金屬絡合物是指在結構上以金屬為中心，周圍環繞碳、氫等非金屬原子的化合物。我們血液中含有的血紅蛋白是以鐵為中心的金屬絡合物，在光合作用中充當催化劑的葉綠素是以鎂為中心的金屬絡合物。
日本首都大學東京人工光合作用研究中心特聘教授井上晴夫長年從事的也是金屬絡合物研究。1987年，井上使用以銻、錫等金屬為中心的金屬絡合物，成功地利用可見光，從水中奪取了電子。但在當時，水中還添加了促進反應的有機物。而現在，井上正致力於設計不加入添加物，隻用水即可反應的金屬絡合物。
另一方面，氧化水產生氧氣最少需要從水中奪取4個電子，而在通常情況下，奪取1個電子需要1個光子。但迄今為止，這種方法一直存在一個問題，就是在完成奪取4個電子之前，金屬絡合物就會喪失作為催化劑的活性。針對這個問題，井上開發出了1個光子1次可以奪取2個電子的方法。通過採用這種方法，就向使用金屬絡合物實現人工光合作用邁進了一大步。
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| 利用井上教授開發的金屬絡合物催化劑實現人工光合作用時的情況。 |
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| 使用測量器檢測反應生成物。 |
而 “使用半導體作催化劑”是人工光合作用研究的先驅，上篇介紹的本多藤島效應就是其代表事例。其原理是，向水中的半導體氧化鈦照射光線后，氧化鈦就起到催化劑的作用，使水完全分解，產生氫氣和氧氣。像這樣通過照射光線發揮催化劑作用的物質叫作“光催化劑”。
但傳統光催化劑最大的課題是隻對紫外線有反應。因此，現在東京大學教授堂免一成和東京理科大學教授工藤昭彥等人正在竭盡全力，開發對可見光發生反應的光催化劑。
井上說：“半導體光催化劑領域是日本一枝獨秀的領域。包括東京大學堂免教授發現的對可見光發生反應的光催化劑在內，杰出成果在不斷涌現。日本經濟產業省與文部科學省在2012年10月啟動的人工光合作用項目也把重點放在光催化劑的研究上，我對此也寄予厚望。”
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