2014年05月29日08:44
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生物电子诞生（一）生物体内的宝藏，将带来控制、传感器和节能革命
在能源领域，模仿植物光合作用的人工光合作用相关研究备受关注。因为这样不仅能削减二氧化碳，还可以生成甲酸和甲烷等能源物质。另外，利用昆虫的体液和微生物发电的特色燃料电池也已问世。
随着降低环境负荷方面的需求日益高涨，利用自然界中的生物、以完全不同于以往的全新方法获得能源的研发愈发活跃。
其中受到关注的主题是，模仿植物通过水（H2O）、二氧化碳（CO2）和阳光生成有机物的这种光合作用的“人工光合作用”。人工光合作用能够削减导致温室效应的二氧化碳，可获得作为能源使用的有机物，而且不会排放有害物质，因此全球都在积极推进研发。2013年6月在大阪市立大学内设立的“人工光合作用研究中心”就是其中之一注1）。该研究中心的研究核心是由该中心的副所长、大阪市立大学复合尖端研究机构教授天尾丰等人的研发小组推进的、采用藻类和酶的人工光合系统注2）。
注1）所长是大阪市立大学复合尖端研究机构教授神谷信夫。
注2）天尾被选为日本科学技术振兴机构（JST）战略性创造研究推进事业个人型研究的带头研究员。
利用藻和酶实现人工光合作用
光合作用的第一阶段是利用光能分解水、产生质子（H+）和电子（e-）的氧化反应，。第二阶段是质子和电子还原二氧化碳、生成有机物。天尾等人的目标是，通过在氧化反应中利用“螺旋藻”、在还原反应中利用多种酶，来实现高效率的人工光合作用（图1）。
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图1：利用藻类和酶进行人工光合作用 大阪市立大学的研发小组正在开发利用藻类和酶的人工光合系统。使从螺旋藻中分离出来的光合作用器官附着在氧化反应的电极上，生成电子和质子（a）。而还原反应的电极上使用酶。酶的种类不同，可生成的能源也不同，已成功生成了甲酸（b）。（图由《日经电子》根据大阪市立大学的资料制作） |
具体来说，是将从螺旋藻中分离出的“类囊体膜”附着在氧化反应用电极（氧化电极）氧化钛上，类囊体膜在光合反应中承担着核心作用。采用螺旋藻是因为其繁殖速度快，方便作为材料使用。
还原反应用电极（还原电极）采用ITO（氧化铟锡），在ITO上贴上“电子转移分子吸附膜”，然后再将酶附着在其上。电子转移分子吸附膜的作用是转移电子、固定酶。
为了生成甲醇（CH3OH、CH4O），天尾打算使用3种酶。首先利用“甲酸脱氢酶（FDH）”从二氧化碳中生成甲酸（HCOOH），然后利用“醛脱氢酶（Ald-DH）”将甲酸制成甲醛（HCHO、CH2O），最后利用“醇脱氢酶（ADH）”将甲醛转换成甲醇。目前已经成功生成了甲酸，用射入的光能除以生成的甲酸中具备的能源所得的转换效率达到了百分之零点零几。
不过，这一效率只有植物光合作用的1/10左右，因此，今后计划改善氧化反应和还原反应，提高转换效率。还原反应方面，估计可通过改变电子转移分子吸附膜的材料来提高反应速度。
而氧化反应方面，有通过聚集太阳光来提高单位面积的光强度、从而提高效率的方法。不过，由于类囊体膜为有机物，因此光强度过强的话会使之出现劣化。
利用无机物实现与植物相差不多的效率
还有不使用有机物、只利用无机物来实现氧化反应，以解决氧化反应存在的课题的研究。目前，在这方面的研究中走在前面的企业之一是松下。
松下在氧化电极采用半导体、在还原电极采用金属类材料作为催化剂。由于利用了半导体、增强光强度也不会劣化，因此可制作聚光型人工光合系统。而且这种方式的转换效率本来就比较高。
氧化电极采用GaN系半导体、还原电极采用In系金属材料生成甲酸时，转换效率达到了0.2％，与植物光合作用差不多。
为了高效率生成甲烷（CH4），目前正在改进氧化电极和还原电极。甲酸虽然可用于储氢，但不能直接用作能源。而甲烷则可作为燃料使用。不过，甲烷比甲酸更难制备，因为在还原二氧化碳时，需要更多的电子和质子。为此，松下目前正在针对两种改善措施进行试验。
第一种措施是，氧化电极的半导体除了GaN系半导体外，还追加了硅的pn结层（图2）。GaN的带隙较广，能在高能量状态下激发电子，但只对紫外光等波长较短的光发生反应。因此追加了对可见光也会发生反应的硅pn结层。
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图2：通过利用无机物的人工光合作用生成甲烷 松下的人工光合系统在氧化反应电极采用半导体元件，在还原反应电极采用金属（a、b）。为生成甲烷，开发了组合使用GaN和硅的半导体元件，而且还原电极利用了铜（c）。由于是无机物，还能通过聚光来增加生成的能源物质的生成量（d）。（图由《日经电子》根据松下的资料制作） |
第二种措施是，在还原电极利用铜（Cu）类材料。从二氧化碳生成甲烷要经过多个阶段的反应，采用铜类金属可控制一氧化碳的吸附等，有助于生成甲烷。
不过，生成甲烷的效率只有0.04％，比甲酸还低。现在的目标是2015年度内将其效率提高到与甲酸差不多（0.2％）的水平，为此将进一步改进技术。（未完待续 作者：根津祯、中道理，日经技术在线！供稿）
