「人工葉」は二酸化炭素と太陽光を再生可能な燃料に変える

研究者らは最近、太陽光と二酸化炭素をエタノールやプロパノールなどの高エネルギー密度燃料に変換する先駆的な技術を発見した。これは再生可能でクリーン、汚染が少なく環境に優しい燃料源です。

現在、一般的に使用されている燃料は、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料です。しかし、この燃料を燃やすと、環境汚染と気候変動の主な原因である二酸化炭素が排出されます。したがって、環境に優しい代替原材料を見つけることが、これまで以上に急務となっています。

ケンブリッジ大学のチームは長年にわたり、植物の光合成にヒントを得て「人工葉」と呼んでいる持続可能なカーボンニュートラル燃料の開発に取り組んできた。しかし、これらの人工葉は、燃料、医薬品、プラスチック、肥料の製造に使用される水素と一酸化炭素の混合物である合成ガスなど、単純な化学物質しか生成できない。この技術をより実用的にするには、「人工葉」が太陽光発電の一段階でより複雑な化学物質を直接生成できるようにする必要がある。

研究チームを率いるアーウィン・ライスナー教授は、同チームが銅とパラジウムをベースにした触媒を開発したと語った。この触媒は、「人工葉」がより複雑な化学物質を生成できるように最適化されており、CO2、水、太陽光を単一ステップで多炭素燃料のエタノールとプロパノールに変換します。これらはエネルギー密度が高く、使用中に保管したり輸送したりすることが容易な燃料です。

金属製の支持棒に取り付けられた人工の葉。写真：モティアル・ラハマン

バイオエタノールは化石燃料ではなく植物から生産されるため、ガソリンよりもクリーンな代替品と考えられています。現在、道路を走る多くの自動車やトラックは、最大 10% のエタノールを含むガソリン (E10 燃料) で走行しています。しかし、これまでのバイオエタノール生産方法は、特に食料の栽培に使用できる農地を占有することが多いため、物議を醸してきました。太陽エネルギーだけを利用する新しい「人工葉」方式により、この問題は完全に解決されました。

さらに、この新しい人工葉は、合成ガスを生成する中間段階を必要とせずに、クリーンなエタノールとプロパノールを直接生成することができます。これまでにも、他のいくつかの研究グループが電気を使って同様の化学物質を製造している。しかし、太陽エネルギーのみを使用して人工葉でこのような複雑な化学物質が生成されたケースは初めてだ。

研究チームの一員であるモティアル・ラハマン博士は、この新しい人工葉は化石燃料に依存する経済から脱却する上で重要な一歩となるだろうと述べた。これらの燃料は実質ゼロの炭素排出を生み出し、完全に再生可能です。

ルンド大学（スウェーデン）の研究チームは、太陽光を利用した「人工葉」技術の開発に協力し、共有結合性有機構造体（COF）と呼ばれる多孔質有機材料の使用を通じて二酸化炭素排出を燃料に変換する方法を発見したと発表した。この材料は太陽光を吸収し、得られたエネルギーを触媒と組み合わせてCO2を燃料に変換します。

「変換プロセスには電子が必要です。青色光の光子が高エネルギーで長寿命の電子を生成することを検出したら、COFに電子を充電するだけで反応が完了します」と、ルンド大学の研究者であるカイボ・ジェン氏は述べています。

初期の研究結果は非常に有望ではあるものの、この技術を商業的に、広く応用するにはさらなる努力が必要です。「電子を使った最初の2つのステップは完了しました」と研究の共著者で化学者のトヌ・プッレリッツ氏は言う。「CO2変換機について考え始めるまでにはまだ多くのステップが必要ですが、非常に有望な道筋が見えてきました。」

ベトナムでは、ハノイ工科大学（USTH）でも「人工葉」技術の研究が行われている。 2015年以来、USTHの研究者グループは金属化学生物学研究所（原子力・代替エネルギーセンターCEA - グルノーブル、フランス）と協力し、「人工葉」の研究と製造に取り組んできました。