(57)【要約】本発明は、水素のインサイチュ生成のための方法、および低価値／エネルギー有機物質から高価値／エネルギー化学生成物を合成するための方法を提供する。この方法は、光生物燃料電池を提供する工程であって、この光生物燃料電池は、水性媒体中で作動する色素増感された光電アノードを含む電気化学的半電池であって、この媒体は、ＮＡＤＨ、燃料、および酵素を含み、この酵素は、ＮＡＤＨレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池；電極であって、この電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体によりこの光電アノードに接続される、電極；および光源、を含む、工程；ならびに光を用いてこの光電アノードを照らし、それによって水素を生成する工程、を包含する。
2007516577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を生成するための方法であって、該方法は、以下：
光生物燃料電池を提供する工程であって、該光生物燃料電池は、以下：
ａ．水性媒体中で作動する色素増感された光電アノードを含む電気化学的半電池であって、該媒体は、ＮＡＤＨ、燃料、および酵素を含み、該酵素は、ＮＡＤＨレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池；
ｂ．電極であって、該電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体により該光電アノードに接続される、電極；および
ｃ．光源、
を含む、工程；ならびに
光を用いて該光電アノードを照らし、それによって水素を生成する工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記光電アノードが、スズドープ酸化インジウムでコーティングされたガラスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光電アノードが、さらに、半導体ナノ粒子の層を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ナノ粒子が、酸化スズを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ナノ粒子が、二酸化チタンを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記光電電極が、スズドープ酸化インジウムでコーティングされた溶融シリカを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記光電電極が、さらに、半導体ナノ粒子の層を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ナノ粒子が、酸化スズを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ナノ粒子が、二酸化チタンを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記触媒が、ヒドロゲナーゼである、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記デドロゲナーゼが、ＮｉＦｅヒドロゲナーゼである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記触媒が、白金を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記触媒が、Ｅ−ＴＥＫ  Ｐｔ／Ｃである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記触媒結合電極が、光電アノード半電池内に含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記触媒結合電極が、半透性デバイスを介して光電アノード半電池に結合される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記半透性デバイスが、膜、フリット、および塩橋からなる群より選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料が、還元炭素である、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
水素を生成するための方法であって、該方法は、以下：
光生物燃料電池を提供する工程であって、該光生物燃料電池は、以下：
ａ．水性媒体中で作動する色素増感された光電アノードを含む電気化学的半電池であって、該媒体は、ＮＡＤＰＨ、燃料、および酵素を含み、該酵素は、ＮＡＤＰＨレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池；
ｂ．電極であって、該電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体により該光電アノードに接続される、電極；および
ｃ．光源、
を含む、工程；ならびに
光を用いて該光電アノードを照らし、それによって水素を生成する工程、
を包含する、方法。
【請求項１９】
前記光電アノードが、スズドープ酸化インジウムでコーティングされたガラスを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記光電電極が、さらに、半導体ナノ粒子の層を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ナノ粒子が、酸化スズを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ナノ粒子が、二酸化チタンを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記光電電極が、スズドープ酸化インジウムでコーティングされた溶融シリカを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記光電電極が、さらに、半導体ナノ粒子の層を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ナノ粒子が、酸化スズを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ナノ粒子が、二酸化チタンを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記触媒が、ヒドロゲナーゼである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２８】
前記ヒドロゲナーゼが、ＮｉＦｅヒドロゲナーゼである、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記触媒が、白金を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記触媒が、Ｅ−ＴＥＫ  Ｐｔ／Ｃである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記触媒結合電極が、光電アノード半電池内に含まれる、請求項１８に記載の方法。
【請求項３２】
前記触媒結合電極が、半透性デバイスを介して光電アノード半電池に結合される、請求項１８に記載の方法。
【請求項３３】
前記半透性デバイスが、膜、フリット、および塩橋からなる群より選択される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記燃料が、還元炭素である、請求項１８に記載の方法。
【請求項３５】
低エネルギー有機物質を高エネルギー物質に変換するための方法であって、該方法は、以下：
電気化学燃料電池を提供する工程であって、該電気化学燃料電池は、以下：
ａ．水性媒体中で作動する色素増感されたナノ粒子の光電アノードを含む電気化学的半電池であって、該媒体は、ＮＡＤＨ、低エネルギー燃料物質、および酵素を含み、該酵素は、ＮＡＤＨレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池；
ｂ．電極、ＮＡＤＰ依存性ヒドロゲナーゼ、触媒、およびＮＡＤＰ依存性オキシドレダクターゼ酵素を含む区画であって、該電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体により該光電アノードに接続され、ここで該区画は、半透性デバイスにより該電気化学的半電池に結合される、区画；および
ｃ．光源、
を含む、工程；ならびに
光を用いて該光電アノードを照らし、それによって該低エネルギー燃料物質を高エネルギー燃料物質に変換する工程、
を包含する、方法。
【請求項３６】
前記触媒が、ヒドロゲナーゼを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記ヒドロゲナーゼが、ＮｉＦｅヒドロゲナーゼである、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記触媒が、白金を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記触媒が、Ｅ−ＴＥＫ  Ｐｔ／Ｃである、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
低エネルギー有機物質を高エネルギー物質に変換するための方法であって、該方法は、以下：
電気化学燃料電池を提供する工程であって、該電気化学燃料電池は、以下：
ａ．水性媒体中で作動する色素増感されたナノ粒子の光電アノードを含む電気化学的半電池であって、該媒体は、ＮＡＤＰＨ、低エネルギー燃料物質、および酵素を含み、該酵素は、ＮＡＤＰＨレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池；
ｂ．電極、ＮＡＤＰ依存性ヒドロゲナーゼ、触媒、およびＮＡＤＰ依存性オキシドレダクターゼ酵素を含む区画であって、該電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体により該光電アノードに接続され、ここで該区画は、半透性デバイスにより該電気化学的半電池に結合される、区画；および
ｃ．光源、
を含む、工程；ならびに
光を用いて該光電アノードを照らし、それによって該低エネルギー燃料物質を高エネルギー燃料物質に変換する工程、
を包含する、方法。
【請求項４１】
前記触媒が、ヒドロゲナーゼを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記ヒドロゲナーゼが、ＮｉＦｅヒドロゲナーゼである、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記触媒が、白金を含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
前記触媒が、Ｅ−ＴＥＫ  Ｐｔ／Ｃである、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記光電アノードが、フッ素酸化スズコーティングされた溶融シリカを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４６】
前記光電アノードが、フッ素酸化スズコーティングされたガラスを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項４７】
前記光電アノードが、フッ素酸化スズコーティングされた溶融シリカを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（発明の背景）
光合成の間、植物は、光エネルギーを電気化学的エネルギーに、そして最終的には、炭水化物および他の化合物に貯蔵される化学ポテンシャルエネルギーに変換する。この炭水化物は、必要に応じて酸化され、エネルギーをその生物体に提供する。酵素触媒生物燃料電池と組合せて作用する色素増感されたナノ粒子半導体光電アノードを包含する光合成プロセスの模倣への新しいアプローチが、Ｇｕｓｔら、「電流発生のための酵素ベースの光電池」（ＷＯ  ０３／０７９４８０）に記載されている。このシステムは、２つの補完的プロセスの簡単かつ直接的な結合を達成し、各アプローチのいくつかの利点を単一のユニットに組合せ、そして原理上は、独立に作用する各プロセスよりも多い電力を提供し得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
ここで、本発明は、本システムが、水素のインサイチュ生成のために、そして低有用性／低エネルギー有機物質から高有用性／高エネルギー化学的生成物を合成するために使用され得ることを示した。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
１つの実施形態において、本発明は、水素を生成するための方法に関し、この方法は、光生物燃料電池を提供する工程であって、この光生物燃料電池は、水性媒体中で作動する色素増感された光電アノードを含む電気化学的半電池であって、この媒体は、ＮＡＤＨ、燃料、および酵素を含み、この酵素は、ＮＡＤＨレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池；電極であって、この電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体によりこの光電アノードに接続される、電極；および光源、を含む、工程；ならびに光を用いてこの光電アノードを照らし、それによって水素を生成する工程、を包含する。
【０００４】
別の実施形態において、本発明は、水素を生成するための方法に関し、この方法は、光生物燃料電池を提供する工程であって、この光生物燃料電池は、水性媒体中で作動する色素増感されたアノードを含む電気化学的半電池であって、この媒体は、ＮＡＤＰＨ、燃料、および酵素を含み、この酵素は、ＮＡＤＰＨレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池；電極であって、この電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体によりこの光電アノードに接続される、電極；および光源、を含む、工程；ならびに光を用いてこの光電アノードを照らし、それによって水素を生成する工程、を包含する。
【０００５】
別の実施形態において、本発明は、低エネルギー有機物質を高エネルギー物質に変換するための方法に関し、この方法は、電気化学燃料電池を提供する工程であって、この電気化学燃料電池は、水性媒体中で作動する色素増感された光電アノードを含む電気化学的半電池であって、この媒体は、ＮＡＤＨ、低エネルギー燃料物質、および酵素を含み、この酵素は、ＮＡＤＨレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池；電極、ＮＡＤＰ依存性ヒドロゲナーゼ、触媒、およびＮＡＤＰ依存性オキシドレダクターゼ酵素を含む区画であって、この電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体によりこの光電アノードに接続され、ここでこの区画は、半透性デバイスによりこの電気化学的半電池に結合される、区画；および光源、を含む、工程；ならびに光を用いてこの光電アノードを照らし、それによってこの低エネルギー燃料物質を高エネルギー燃料物質に変換する工程、を包含する。
【０００６】
さらに別の実施形態では、本発明は、低エネルギー有機物質を高エネルギー物質に変換するための方法に関し、この方法は、電気化学燃料電池を提供する工程であって、該電気化学燃料電池は、水性媒体中で作動する色素増感されたナノ粒子の光電アノードを含む電気化学的半電池であって、この媒体は、ＮＡＤＰＨ、低エネルギー燃料物質、および酵素を含み、この酵素は、ＮＡＤＰＨレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池；電極、ＮＡＤＰ依存性ヒドロゲナーゼ、触媒、およびＮＡＤＰ依存性オキシドレダクターゼ酵素を含む区画であって、この電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体によりこの光電アノードに接続され、ここでこの区画は、半透性デバイスにより該電気化学的半電池に結合される、区画；および光源、を含む、工程；ならびに光を用いてこの光電アノードを照らし、それによってこの低エネルギー燃料物質を高エネルギー燃料物質に変換する工程、を包含する。
【０００７】
（発明の詳細な説明）
例示のために、そして上記説明をより明確にするために、添付の図面に対して参照がなされる。
【０００８】
別な様に定義されない限り、本明細書中で使用される技術用語および科学用語は、本発明が属する分野の当業者に通常理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中に記載されるものと類似または同等の任意の方法、デバイス、および物質が、本発明の実施または試験において使用され得るが、好ましい方法、デバイス、および物質が、ここで記載される。
【０００９】
本明細書中で言及されるすべての刊行物は、、例えば、ここで記載される発明と関連して使用され得る刊行物に記載される組成物および方法論を記載または開示するために、本明細書中で参考として援用される。上記、下記およびこの本文を通して列挙または考察される刊行物は、本発明の出願日前のそれらの開示のためだけに提供される。本発明者らが、先行発明が理由で、このような開示に先立つ権利が与えられないとの承認として解釈されるべきものは何もない。
【００１０】
（本発明の概観）
本発明者らは、以下に記載され、最初は、電気を提供するために開発された光生物燃料電池が、水素のインサイチュ合成のために使用され得るということを示した。導電体または他の適切な手段を使用して光生物燃料電池の光電アノードに、プロトンと電子とからの水素の合成を触媒する触媒を結合することにより、水素は、その電池の電気化学的ポテンシャルを使用して産生される。産生される水素は、光生物燃料電池の燃料成分の改質に由来していると考えられ得る。この水素生成のためのエネルギーは、光電アノードおよび任意の関連する補助的アンテナシステムにより吸収される光ならびにこの光生物燃料電池の燃料源に固有の化学エネルギーに由来する。記載される方法は、炭素含有不要物質を含む種々の燃料源を、水素という形態の価値ある燃料に変換する。この燃料源としては、脂肪、炭化水素、炭水化物、タンパク質、およびこの光電アノードにより、直接または間接的に酸化される任意の物質が挙げられるが、これらに限定されない。水素のような単一の燃料源が、世界中の将来のエネルギー経済における共通の基準であると予想されるので、このプロセスは、価値がある。
【００１１】
本発明は、以下に記載される光電アノードおよび燃料源ととともに単体として使用され得るか、または太陽光生物燃料電池における酸素還元性カソードと並列に配線され得る。特定のヒドロゲナーゼ酵素が、酸素の存在下でそれらが阻害される点において、自己調節的であるので、このことが可能である。酸素の存在下では、このシステムは、太陽エネルギーを、上記光電アノードから上記カソードへの電流を伴う電気に変換する。酸素の非存在下または低酸素濃度下では、そのカソードへの電流の流れは、緩やかであり、上記ヒドロゲナーゼ酵素の酸素阻害が低下し、水素合成が促進される。
【００１２】
この光電池の任意の表示物において生成される水素は、保存されたエネルギーの形態であり、固体支持媒体がそのエネルギー密度を高めるために使用され得る。
【００１３】
本発明のさらなる実施形態は、以下に考察される光生物燃料電池からのエネルギーにより駆動される閉鎖系において、高価値／エネルギー化学生成物のインサイチュ合成を、低価値／エネルギー反応体化学生成物の酸化に結合するための方法を包含する。これは、ＮＡＤＰ依存性ヒドロゲナーゼ酵素を、ＮＡＤＰＨが上記高エネルギー水素から生成されるように、上記水素生成電池に付け加えることを伴う。
【００１４】
この方法は、上記光電アノードに配線された電極および水素を発生するヒドロゲナーゼを、ＮＡＤＰに連結したヒドロゲナーゼ酵素とともに別々の区画に置く工程を包含する。この第２の区画は、適切な膜、フリット、または塩橋および上記配線、または上記光電アノードと上記水素発生ヒドロゲナーゼとの間の適切な電気的接続により、上記光電アノード区画に接続される。上記第２の区画中のＮＡＤＰＨに連結したヒドロゲナーゼ酵素は、ＮＡＤＰ＋  ＋  Ｈ２  →  ＮＡＤＰＨ  ＋  Ｈ＋のプロセスを触媒する。この反応は、上記光電アノードの出力側に配線された上記水素発生ヒドロゲナーゼからのＨ２の供給により右側へ駆動される。この光電アノードの出力側は、以下に記載される光に駆動されるプロセスにより、高度に負のポテンシャルに保たれている。光電アノードが生成する水素は、この負のポテンシャルを、Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−の半反応における化学ポテンシャルとして運搬する。
【００１５】
ＮＡＤＰ＋  ＋  Ｈ２  →  ＮＡＤＰＨ  ＋  Ｈ＋から生成されるＮＡＤＰＨは、ＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨ酸化還元対を、高価値／エネルギー化学化合物の合成のために高度に還元性に保つ。ＮＡＤＰＨは、医学的プロセス、生体工学的プロセス、美容整形プロセス、および農業プロセスを含む（しかし、これらに限定されない）無数のプロセスにおいて有用な、実に様々な高エネルギー／価値還元炭素化合物の生合成または生物模倣反応のために必要な還元剤である。得られる特定の高価値／エネルギー生成物は、その合成に使用される、ＮＡＤＰＨに連結したオキシド−レダクターゼ酵素により決定される。このプロセスは、閉鎖系において、化合物（不要有機物質を含む）の低価値／エネルギー混合物を、インサイチュ燃料電池のためのエネルギー源として、または価値ある化学生成物として適切な高価値／エネルギーの単一化合物への変換を可能にするので、このプロセスは価値がある。このプロセスは、太陽エネルギーおよびその燃料物質固有の化学エネルギーにより駆動される。上記光電アノードの入力側は、光増感剤のラジカルカチオンの酸化ポテンシャルにより高度に酸化性に保たれるので、上記低価値／エネルギーの燃料物質の転化率は高い。
【００１６】
（光生物燃料電池）
本発明の実施に適切な光生物燃料電池（また、光電気化学電池、光生物学的燃料電池、または光電池とも呼ばれる）は、Ｇｕｓｔら  ＷＯ  ０３／０７９４８０（「Ｅｎｚｙｍｅ−ｂａｓｅｄ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）に記載されており、その全内容は、本明細書により参考として援用される。光電気化学電池は、構成要素として提供される正極および負極を備え、それらの間に電解液が入れられている。光を照射された場合に酸化剤および電子を生成する光感作物質化合物、電子を酸化された光感作物質化合物に提供する酸化還元メディエータ、および炭素含有燃料化合物をの酸化を触媒する酵素を介して炭素含有燃料化合物から、負極が、電子を受け取る場合、起電力が、正極と負極との間で生じる。これは、光照射エネルギーによりバイアスをかけた形態の電気エネルギーとして、炭素含有化合物中に蓄積される化学エネルギーの利用を可能にする。
【００１７】
図１は、光生物学的燃料の構成の概略図を示す。図１は、炭素含有化合物（燃料）により所有されている電子（Ｅ−）が、どのようにしてその炭素含有化合物から放出され、最終的に、正極から負極へ外部の電流回路を通って流れるかを図示する。電池内の電子流れは、球状形態で示される酸化半導体（ＭｅＯｘ）中または酸化半導体上に維持される光感作物質化合物（Ｓ）を介して生じる。光を照射された場合、光感知Ｓは、励起状態Ｓ＊を生じる。励起状態Ｓ＊は、電子を半導体に注入し、酸化剤Ｓ＋を残す。その電子（Ｅ−）は、Ｓの光励起エネルギー（ＳとＳ＊との間のエネルギー差）までの光照射によりバイアスをかけられる。電子は、外部回路で作動し、正極に達して、そこで材料Ｍの還元反応に使用される。このようにして、起電力は、正極と負極とを横切って生じ、電気を生じる。このプロセスの間、酸化された光感知式Ｓ＋は、酸化還元メディエーターＲによりその元の形態に還元され、酸化形態のＲを生じる。酵素は、酸化された酸化還元メディエータを、その元の形態に還元し、炭素含有燃料化合物の酸化から必要な電子を得る。従って、も、酸化還元メディエーターＲも消費されない。
【００１８】
光を照射された場合、酸化剤Ｓ＋および電子を生じる光感作物質化合物Ｓは、酸化半導体上に配置される。この化合物は、約３００ｎｍ〜約１，０００ｎｍの波長範囲において、単一の光吸収ピークまたは複数の光吸収ピークを有する。このような化合物は、金属錯体色素、有機色素などであり得る。金属錯体色素の例は、ビキノリン、ビピリジル、フェナントロリン、またはチオシアン酸、あるいはそれらの誘導体を配位子として有するルテニウム錯体色素または白金錯体色素である。がある。金属原子もまた含み得る有機色素の例は、ただ１つのポルフィリン環または複数のポルフィリン環を有するポリフィリンベースの色素である。ポルフィリン環は、金属を含まないか、または亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）などを中心原子として含み得る。このようなポルフィリンベースの色素としては、以下の一般式Ｐ１〜Ｐ６により表される色素が挙げられる。有機色素の例は、９−フェニルキサンテンベースの色素、メロシアニンベースの色素、ポリメチンベースの色素などである。特に、以下に示される構造を有する化合物Ｐ１、５−（４−カルボキシフェニル）−１０，１５，２０−（４−メチルフェニル）ポルフィリンは、高い光吸収効率、および酸化半導体に対する高親和性を有し、その結果、この化合物は、電解液により溶容易に出され得ず、従って、電解液と長期に接触した後でさえ安定性を維持し得る。さらに、光の照射により化合物Ｐ１から励起した電子の生成が、長期間にわたって起こり得ることから、化合物Ｐ１は、有利な光電気変換効率を示し得る。酸化半導体上で光を照射された場合に、酸化剤および電子を生成する化合物の配置は、光の照射により生成される励起した電子が、その酸化物半導体上に素早く移動することを可能にし、そして光の照射により生成される酸化剤および励起した電子の再結合を抑え、それにより炭素含有化合物から外部の電気回路へのより高い電子の受容効率を維持する。
【００１９】
酸化半導体として、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化タングステン（ＷＯ３）、またはそれらの複合物（例えば、ＴｉＯ２−ＷＯ３）が、使用され得る。
【００２０】
【化１】
2007516577.tif 000003
【００２１】
【化２】
2007516577.tif 000004
【００２２】
光電気燃料電池において使用される炭素含有燃料化合物であって、天然の生活圏で循環再生され得るものの例としては、炭水化物（例えば、糖類、デンプン）、脂質、炭化水素、アルコール、アルデヒド、および有機酸が挙げられる。このような化合物は、光合成により二酸化炭素ガスおよび水より生成され得、次いで堆積される。これらの化合物中に蓄えられる太陽エネルギーは、生物体の代謝を介した化学エネルギーとして使用されて、二酸化炭素ガスを生じる。
【００２３】
酵素の媒介を通して炭素含有燃料化合物から電子を受け取り、電子を光の照射により生成される酸化剤（Ｓ＋）に提供して、元の光感作物質化合物（Ｓ）を再生する、酸化還元メディエーター（Ｒ）の例は、キノン／ヒドロキノン酸化還元カップル、ＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ酸化還元カップル、ＮＡＤＰ＋／ＮＡＤＰＨ酸化還元カップル、Ｉ２／Ｉ３−酸化還元カップル、および酸化還元能を有する金属タンパク質（例えば、フェレドキシン、およびミオグロビン）がある。
【００２４】
炭素含有燃料化合物から酸化還元メディエータ−Ｒの酸化形態への電子移動を触媒する酵素は、特に限定されない。しかし、実際には、炭素含有燃料化合物の種類に依存してデヒドロゲナーゼ酵素が、単独か、または組み合せて使用され得る。その燃料がグルコースである場合、少なくともグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を含有する酵素系が、使用され得る。
【００２５】
燃料がＤ−グルコース−６−リン酸である場合、少なくともＤ−グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼ（Ｇ−６−ＰＤＨ）または少なくともＧ−６−ＰＤＨおよび６−グルコースリン酸デヒドロゲナーゼ（６−ＰＧＤＨ）を含有する酵素系が、使用され得る。
【００２６】
燃料がメチルアルコールである場合、少なくともアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）を含有する酵素系、少なくともＡＤＨおよびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）を含有する酵素系、あるいは、少なくともＡＤＨ、ＡＬＤＨ、およびギ酸デヒドロゲナーゼ（ＦＤＨ）を含有する酵素系が、使用され得る。
【００２７】
燃料がエチルアルコールである場合、少なくともアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）を含有する酵素系、あるいは少なくともＡＤＨおよびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）を含有する酵素系が、使用され得る。複数の燃料が使用される場合において、これらの燃料に対応する酵素が、混合されて使用され得る。
【００２８】
光生物燃料電池に取り込まれるべき電解液として、アニオンおよび／あるいはカチオンの正極から負極への移動および／または負極から正極への移動を可能にして正極および負極において酸化還元反応の連続した進行を引き起こす限り、有機材料、無機材料、液体または気体にかかわらず任意の物質を使用し得る。塩（例えば、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ２、ＮＨ４Ｃｌ、Ｎａ２ＨＰＯ４）、アルカリ（例えば、ＮＨ４ＯＨ、ＫＯＨ、およびＮａＯＨ）、または酸（例えば、Ｈ３ＰＯ４およびＨ２ＳＯ４）を水に溶解することにより得られる水溶液は、安全であり、環境汚染を起こさず、そして容易に有利に操作され得る。あるいは、第４級アンモニウム塩（例えば、ヨウ化ピリジニウム）、リチウム塩（例えば、ヨウ化リチウム）、イミダゾリウム塩（例えば、ヨウ化イミダゾリニウム）、アセトニトリル中のｔ−ブチルピリジンなど、メトキシアセトニトリルまたはメトキシプロピオニトリル、ポリマー材料からなるイオン交換膜（例えば、スルホン酸基、アミド基、アンモニウム基、ピリジニウム基などを有するフルオレセイン）、あるいは、ポリマー電解液（例えば、ポリプロピレンオキシド、ポリエチレンオキシド、アクリロニトリル、ポリビニリデンフルオリド、ポリビニルアルコールなどの中のＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、および（Ｃ４Ｈ９）４ＮＢＦ４のような塩）の溶液が、使用され得る。
【００２９】
本発明の光生物燃料電池の正極における反応は、負極において光により励起された活性種（Ｓ＊）を介して炭素含有化合物より取り出される電子のポテンシャルよりも大きな（またはよりアノード性の）ポテンシャルで起こる還元反応に関する。取り出された電子が、外部の負荷を介して正極により電気化学的に受容される限り、任意の還元反応が使用され得る。
【００３０】
正極における反応の例としては、水または酸素の還元反応、水酸化物または酸化物（例えば、ＮｉＯＯＨ、ＭｎＯＯＨ、Ｐｂ（ＯＨ）２、ＰｂＯ、ＭｎＯ２、Ａｇ２Ｏ、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２）の還元反応、スルフィド（例えば、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＦｅＳおよびＡｇ２Ｓ）の還元反応、金属ハライド（例えば、ＡｇＩ、ＰｂＩ２、およびＣｕＣｌ２）の還元反応、ハロゲン（例えば、Ｂｒ２およびＩ２）の還元反応、有機硫黄化合物（例えば、キノン、および有機ジスルフィド化合物）の還元反応、および電導性ポリマー（例えば、ポリアニリンおよびポリチオフェン）の還元反応が挙げられる。
【００３１】
詳細には、正極は、好ましくは、酸素を還元するための酸素電極である。この配置において、酸素を含むガスは、蓄電池中の正極活性材料（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ａｃｔｉｖｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を保持する必要性を排除し、従ってより高いエネルギー密度を有する蓄電池を形成可能にする、正極活性物質として使用され得る。
【００３２】
酸素を還元し得る任意の材料は、酸素電極として使用され得る。このような酸素還元材料の例としては、活性炭、酸化マンガン（ＭｎＯ２、Ｍｎ３Ｏ４、Ｍｎ２Ｏ３、およびＭｎ５Ｏ８を含む）、白金、パラジウム、酸化イリジウム、白金−アミン錯体、コバルト−フェニレンジアミン錯体、金属ポルフィリン（金属：コバルト、マンガン、亜鉛、マグネシウムなど）、およびペロブスカイト酸化物（例えば、Ｌａ（Ｃａ）ＣｏＯ３、およびＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３）が挙げられる。
【実施例】
【００３３】
（光電気化学電池の実施例１（Ｇｕｓｔら、ＷＯ  ０３／０７９４８０より））
光を照射された場合に酸化剤および電子を生成する光感作物質化合物として、５−（４−カルボキシフェニル）−１０，１５，２０−（４−メチルフェニル）ポルフィリン（Ｐ１）を、負極を調製するのに使用されるポルフィリン光感作物質の代表例として使用した。
【００３４】
（負極の調製）
１０〜１２Ω／ｃｍ２の表面抵抗を有する電導性スズトープ酸化インジウム（ＩＴＯ）の薄膜を備える１ｍｍの厚さを有する光透過性ガラス基材を、負極を調製するのに使用した。１０ｎｍの平均粒子直径を有する粒子状二酸化スズ（ＳｎＯ２）の、１重量％水性分散液を、ホットプレートの上で、層を、噴霧または別のやり方で塗布することにより、ＩＴＯフィルム上に堆積した。電極を、８０℃の温度において乾燥し、次いで、空気中４００℃の温度において１時間焼結し、粒子状ＳｎＯ２のフィルムを形成した。その後、その電極を、１〜５ｍＭの光感作物質Ｐ１の溶液に代表的には１時間浸し（ジクロロメタン、トルエンまたはヘキサンに溶解した）、その溶液から引き上げ、清浄な溶媒で洗浄して、そして窒素ガス流で乾燥した。電極粒子両面のＰ１の存在は、その吸収スペクトルにより確認した。
【００３５】
（試験電池のアセンブリ）
次いで、そのようにして調製した負極を、図２に示される構造を有する発電電池２１を構築するのに使用した。
【００３６】
発電電池２１において、色素Ｐ１が堆積した負極２３上の粒子状ＳｎＯ２のフィルムは、電解液２６と接触する。電極２６中に、負極２３と組み合せて蓄電池を形成する対極２４、および参照ポテンシャルを与える参照電極２５（この参照電位に基づいて、負極２３の電位が測定される）が、配置される。さらに堆積したものは、対極２４の代わりに負極２３と組み合せて蓄電池を形成する、空気電極２７である。空気電極２７は、Ｍｎ２Ｏ３粉末、活性炭粉末、アセチレンブラック粉末、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）結合剤の混合物を０．２ｍｍの厚さを有するニッケルスクリーン上に包埋することにより調製した。参照番号２２は、発電電池２１に対して対極２４および参照電極２５を固定するためのシリコンプラグを示す。
【００３７】
（光発電電池の操作特性）
発電電池（ａ）を、負極２３、白金（Ｐｔ）対極（２４）、および酸化還元メディエータ（Ｒ）として２．５ｍＭ  ヒドロキノン（ＱＨ２）を含有する０．１Ｍ  の酢酸ナトリウム（ＮａＯＡｃ）水溶液である電解液２６を使用して、上記のとおりに組立てた。
【００３８】
発電電池（ｂ）を、負極２３、溶存酸素を含まない硫酸カリウムの飽和水溶液に浸し、イオン透過性膜により電解液２６から融離した白金（Ｐｔ）対極（２４）、ならびに酸化還元メディエーター（Ｒ）として２．５ｍＭの、還元形態のニコチンアミド−アデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）を含有する０．１Ｍ  酢酸ナトリウム水溶液（ＮａＯＡｃ）である電解液２６を使用して、上記のとおりに組立てた。
【００３９】
発電電池（ｃ）を、負極２３、イオン透過性膜により電解液２６から融離した水銀／硫酸水銀（Ｉ）電極である対極２４、ならびに酸化還元メディエーター（Ｒ）として２．５ｍＭの還元形態のニコチンアミド−アデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）を含有する０．１Ｍ  酢酸ナトリウム水溶液（ＮａＯＡｃ）である電解液２６を使用して、上記のとおりに組立てた。
【００４０】
図３は、５２０ｎｍの波長を有する光で照射される場合、開発された発電電池の電流−電圧の特性を示す。図３において、曲線（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、発電電池（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の電流−電圧特性を示す。全ての発電電池（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、蓄電池として働くが、それらの発電電池は、電流−電圧特性において差異を示す。図３において、曲線（ｄ）は、光を照射されない場合の開発された発電電池（ａ）の電流−電圧特性を示す。光を照射されない場合、発電電池は、わずかな出力電流を生じるか、または出力電流を生じない。
【００４１】
これらの電池において、負極上に堆積した色素は、照射の際に励起状態（Ｓ＊）を生成する光感作物質化合物（Ｓ）として作用する。金属酸化物と接触して、その化合物は、電子を酸化物粒子に注入し、酸化剤（Ｓ＋）を生成する。外部回路は、このようにして生成された電子を取り除き、次いで、それは蓄電池の出力電流として測定される。（ｃ）型の電池において、酸化剤（Ｓ＋）は、酸化還元メディエータ−ＮＡＤＨ（またはいくつかの場合においてＱＨ２）から電子を受容し、Ｓを再生する。このようにして、酵素または炭素含有燃料化合物を欠いた電池において、外部回路への電子の供給は、ＮＡＤＨ（または、酸化還元メディエーターとして使用される場合、ＱＨ２）が消費されるまで、継続する。
【００４２】
ＮＡＤ＋が存在し、メタノールが、炭素含有燃料化合物として使用される場合に、（電池において実施されない）アッセイを、ＮＡＤＨの生成を試験するために行った。１Ｍ  ＮａＣｌ、５ｍＭ  酸化ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋）および０．０  メタノール、および０．０５ｍＭ  還元ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、ならびに酵素としてアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）、アルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）およびギ酸デヒドロゲナーゼ（ＦＤＨ）の溶液を、添加した。光を照射する間のＮＡＤＨ濃度の変化を、図４に示した。
【００４３】
図４において、記号黒三角は、添加された５．０ｍＭ  ＮＡＤ＋、０．０５ｍＭ  ＮＡＤＨ、ＡＤＨ、ＡＬＤＨ、およびＦＤＨを有する溶液中のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。記号黒丸は、添加された５ｍＭ  ＮＡＤ＋、０．０５ｍＭ  ＮＡＤＨ、およびＡＤＨを有する溶液中のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。記号白丸は、（黒丸）における溶液と同じ溶液中のＮＡＤＨ濃度の変化を示すが、ＮＡＤＨおよびＡＤＨの添加より所定の時間の経過後に、ＡＬＤＨを添加する。記号白丸＋は、溶液（白丸）中のＮＡＤＨ濃度の変化を示すが、ＮＡＤＨ、ＡＤＨ、およびＡＬＤＨの添加より所定の時間の経過後に、ＦＤＨを添加する。記号黒四角は、５ｍＭ  ＮＡＤ＋およびＡＤＨを添加した電解液中のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。記号白四角は、溶液黒四角と同じであるが、それにＡＬＤＨが添加された溶液中のＮＡＤＨの変化を示す。記号白四角＋は、電解液白四角と同じであるが、それにＦＤＨが添加された溶液中のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。これら全ての試験では、ＮＡＤＨ濃度の増加が観察され、このことは、ＮＡＤＨを生成する酵素の媒介を通してメタノールからＮＡＤ＋に電子が移動することを実証した。換言すれば、図４において示されるように、ＮＡＤＨは、メタノールを利用する酵素の媒介を通してＮＡＤ＋から形成される。これらの結果は、メタノールが、酵素が媒介したまま、発電電池内に存在する限り、負極により使用されるＮＡＤＨは再生され、電力発生は、光の照射下において維持され得ることを意味する。
【００４４】
図５は、ＮＡＤＨおよびメタノールを含有する電解液２６を有する、（ｃ）型の発電電池において、外部回路により電池より放出された電子量（横軸）と光の照射により消費されるＮＡＤＨの量（縦軸）との間の関係を示したグラフである。記号白丸は、電極には、酵素が存在しない場合、消費されたＮＡＤＨの量と外部回路において生成された電子量との間の関係を示す。この関係は、ＮＡＤＨの消費量および電子量は、お互いに比例しており、このことは、ＮＡＤＨより放出された電子は、外部回路により適切に取り出されることを実証する。記号黒丸は、ＡＤＨ、ＡＬＤＨ、およびＦＤＨが酵素系として電解液に添加された場合の消費されたＮＡＤＨの量と外部回路において生成された電子量との間の関係を示す。この条件下で、外部回路により取り除かれる電子量にかかわらず、わずかなＮＡＤＨが消費されるか、または全く消費されない。換言すると、ＮＡＤＨは、電子を放出して、ＮＡＤ＋を形成し、次いで、添加された酵素の媒介を通してメタノールから電子を受容し、ＮＡＤＨを再生する。メタノールが電解液中に存在する限り、わずかなＮＡＤＨが消費されるか、または全く消費されないこの状態は継続する。換言すると、電力発生は、メタノールが存在する間、持続する。
【００４５】
これらの実験または他の実験において、電解液中のＮＡＤＨの濃度は、ＮＡＤＨのＵＶ吸収スペクトルにおける３４０ｎｍ付近に存在するピークの強度により決定される。
【００４６】
本実施例において、二酸化スズ（ＳｎＯ２）を、酸化半導体として使用した。同様の評価を、粒子状ＴｉＯ２において行い、ＳｎＯ２の代わりに粒子状金属酸化物（例えば、ＺｎＯおよびＴｉＯ２−ＷＯ３）のフィルムを用いても同様の評価をすることが出来た。ＳｎＯ２を使用した評価もまた、光感作物質として化合物Ｐ１の代わりに化合物Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５およびＰ６に対して行った、これらの化合物はまた、光を照射された際に酸化剤および電子を生成する。結果として、これらの発電電池は、Ｐ１の動作特性に類似の操作特性を示す。
【００４７】
（実施例２  光電気化学電池（Ｇｕｓｔら、ＷＯ  ０３／０７９４８０から）
発電電池を、実施例１で使用したのと同じ型の負極２３、対極２４としてプラチナ（Ｐｔ）および電解液において酸化還元メディエータとしてのＮＡＤＰ＋／ＮＡＤＰＨを含むｐＨ８．０の水性緩衝溶液により作製した。Ｄ−グルコース−６−リン酸（Ｇ−６−Ｐ）を、炭素含有燃料化合物として使用した。Ｄ−グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼ（Ｇ−６−ＰＤＨ）および６−ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼ（６−ＰＧＤＨ）を、酵素系として使用した。
【００４８】
図６は、電解液から外部回路により除去された電子の量（横軸）と光照射の間に消費されたＮＡＤＰＨの量（縦軸）との関係を示すグラフである。記号白丸は、消費されたＮＡＤＰＨの量と燃料と酵素のない電解液を有する外部回路に注入された電子の量との関係を示す。この関係は、消費されたＮＡＤＰＨの量と生成された電子の量とが相互に比例的であることを示し、ＮＡＤＰＨから放出された電子が、外部回路により除去されていることを例証している。記号黒丸は、消費されたＮＡＤＰＨの量と炭素含有燃料化合物としてのＧ−６−Ｐおよび上記酵素Ｇ−６−ＰＤＨを添加された電解液において除去された電子の量との関係を示す。消費されたＮＡＤＰＨの量が、著しく減少した。この結果は、ＮＡＤＰＨが、電子を放出してＮＡＤＰ＋を生成し、その後Ｇ−６−Ｐからの電子を受け取って、添加した酵素の媒介によりＮＡＤＰＨを再生することを示す。消費されるＮＡＤＰＨの量は、外部回路によリ除去される電子の数にかかわらず、ほぼ一定である。この状態は、電解液にＧ−６−Ｐが存在する限り持続する。後の時間になってＧ−６−Ｐが完全にグルコノラクトン−６−リン酸に酸化される場合、消費されるＮＡＤＰＨの量は、再び上昇する。そのグルコノラクトン−６−リン酸は、電解液中で、６−ホスホグルコン酸（６−ＰＧ）に加水分解する。消費されるＮＡＤＰＨの量は、外部回路へと除去される電子の量に比例して増加する。６−ＰＧＤＨ（６−ＰＧを酸化する酵素）を電解液に添加した場合、消費されるＮＡＤＰＨの量は、図６の記号白丸＋により示されるように突然の低下を示す。電子は再び６−ＰＧ（燃料）によりＮＡＤＰＨを再生するために供給される。外部回路による電子の受領は６−ＰＧが電解液に存在する限り持続する。
【００４９】
この実施例において、酸化物半導体は、酸化スズ（Ｓｎ０２）であった。同様な評価が、粒子状のＴｉＯ２またはＺｎＯおよびＴｉＯ２−ＷＯ３のような他の粒子状の酸化金属のフィルムについてなされ得る。
【００５０】
（実施例３  光電気化学電池（Ｇｕｓｔら、ＷＯ  ０３／０７９４８０から）
発電電池を、実施例１で使用されている負極と同じ負極２３、対極２４としてプラチナ（Ｐｔ）、および電解液として０．５ｍＭのＮＡＤＨおよび１０ｍＭのＮＡＤ＋を含むｐＨ８．０の緩衝溶液によって作製した。エタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）を炭素含有燃料化合物として使用した。上記ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド共役対（ＮＡＤＨ）／（ＮＡＤ＋）を、酸化還元メディエータとして使用した。アルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）およびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）を、酵素系として使用した。
【００５１】
図７Ａは、エタノールを含有する電解液における、経時的なＮＡＤＨの濃度変化を示すグラフである。アルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）酵素系を、６０分後に電解液に添加した。図７Ａにおいて、記号黒三角は、エタノールおよびＡＤＨを含有する発電電池における、ＮＡＤＨの濃度変化を示す。上記ＮＡＤＨの濃度は、外部回路により除去される電子の量および電解液中のエタノールの量により決定される値に到達するまで、光照射時間と共に増加する。逆に、記号黒丸は、電極はないが、発電電池におけるのと同じ条件下で添加されたＡＤＨを有する、容器に入れられた同一の電解液における、ＮＡＤＨ濃度の変化を示す。図７Ａにおいて、これらのデータは「コントロール」として記述されている。上記コントロールには電極が無いので、電子は外部回路により除去されない。電解液中のＮＡＤ＋は、エタノールから電子を受け取りＡＤＨの媒介によりＮＡＤＨに変換される。このように、ＮＡＤＨの濃度は時間と共に増加し続ける。
【００５２】
発電電池を、負極２３、空気電極２７およびエタノール，酵素系としてＮＡＤＨおよびＡＤＨを含有する、ｐＨ８．０の電解液により作製した。日光で照射された場合、発電電池は、約０．６５Ｖの電圧を有する光生物学的燃料電池として、作動する。
【００５３】
図７Ｂは、エタノールを含有し、後でアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）およびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）を酵素系として添加された電解液におけるＮＡＤＨ濃度の経時的な変化を示す図である。
【００５４】
図７Ｂにおいて、灰色の白抜きの四角は、エタノールの添加後、しかしＡＤＨおよびＡＬＤＨの添加前の発電電池におけるＮＡＤＨ濃度を示す。上記ＮＡＤＨ濃度は、一定である。ＡＤＨおよびＡＬＤＨの添加後（灰色塗りの四角）、上記ＮＡＤＨ濃度は、外部回路により取られる電子の量ならびに電解液中のエタノールの量およびその酸化生成物であるアセトアルデヒドの量により決定される値に到達するまで増加する。黒の白抜きは、電極のない容器に入れられたエタノールを有する電解液中の、酵素添加前の、ＮＡＤＨの濃度の変化を示す。上記濃度は、一定である。発電電池と同じ条件下でＡＤＨおよびＡＬＤＨを添加後、ＮＡＤＨ濃度の上昇は、黒塗り四角で示される。図７Ｂにおいて、これらの後者のプロットを「コントロール」と同定する。コントロールは電極が無いので、電子は外部回路により除去されない。電解液中のＮＡＤ＋は、エタノールおよびアセトアルデヒドから電子を受け取り，ＡＤＨおよびＡＬＤＨの媒介により，ＮＡＤＨに変換される。このようにＮＡＤＨの濃度は、時間と共に増加し続ける。
【００５５】
発電電池を、負極２３、空気電極２７、ならびにＮＡＤＨ、ＮＡＤ＋、エタノールならびに酵素系としてＡＤＨおよびＡＬＤＨを含有する電解液により作製した。日光に照射されると、発電電池は、約０．６５Ｖの電圧を有する光生物学的燃料電池として作動する。
【００５６】
本実施例において、酸化スズ（ＳｎＯ２）を酸化物半導体として使用した。粒子状のＴｉＯ２またはSｎＯ２の代わりに、ＺｎＯおよびＴｉＯ２・ＷＯ３のような他の粒子状の金属酸化物のフィルムで同じ評価がなされ得る。光増感化合物（光に照射されて酸化物と電子を生成する）としての化合物Ｐ１の代わりに、化合物Ｐ２、化合物Ｐ３、化合物Ｐ４、化合物Ｐ５および化合物Ｐ６についてもまた、同じ評価がなされ得る。
【００５７】
（実施例４  光電気化学電池（Ｇｕｓｔら、ＷＯ  ０３／０７９４８０から）
発電電池を、実施例１で使用されている負極と同じ負極２３、対極２４としてプラチナ（Ｐｔ）、および電解液中にＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ酸化還元メディエータを含むｐＨ７．３の緩衝溶液により作製した。Ｄ−グルコースを、炭素含有化合物として使用した。Ｄ−グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を、酵素として使用した。
【００５８】
図８は、酵素系としてそこへ添加されたＧＤＨを有する電解液から外部回路により除去された電子の量（横軸）と、光照射の間に消費されたＮＡＤＨの量（縦軸）との関係を示すグラフである。記号白丸は、酵素の添加前であるが、Ｄ−グルコースは存在するときの消費されるＮＡＤＨの量と、生成される電子の量との関係を示す。この関係は、消費されるＮＡＤＨの量と電子の量とが互いに比例的であることを示し、これは上記ＮＡＤＨから放出される電子が、外部回路から除去されることを例証している。記号黒丸は、酵素系添加後の消費されるＮＡＤＨの量と、電解液から外部回路に生成される電子の量との関係を示す。
【００５９】
酵素の添加前、ＮＡＤＨは、消費され、そしてＮＡＤ＋に酸化され、同時に外部回路に電子が生成される。酵素の添加後、ＮＡＤＨは、再生され、見かけの消費される量は、元の量より僅かに低下する。言い換えると、ＮＡＤＨは電子を放出してＮＡＤ＋を生成し、その後ＮＡＤＨを再生する酵素による触媒作用でＤ−グルコースから電子を受け取る。このように、酵素の存在下で、消費されるＮＡＤＨの量は、それとともに取られる電子の数に係わらず、一定に維持される。この状態は、電解液にＤ−グルコースが存在する限り持続する。
【００６０】
本実施例では、酸化スズ（ＳｎＯ２）を、酸化物半導体として使用した。粒子状のＴｉＯ２、ならびにSｎＯ２の代わりに、ＺｎＯおよびＴｉＯ２・ＷＯ３のような他の粒子状の金属酸化物のフィルムで同じ評価がなされ得る。光増感化合物（光に照射されて酸化物と電子を生成する）としての化合物Ｐ１の代わりに、化合物Ｐ２、化合物Ｐ３、化合物Ｐ４、化合物Ｐ５および化合物Ｐ６について、同じ評価がなされ得る。
【００６１】
(光生物燃料電池を使用した水素の合成方法）
本発明は、光電アノードの出力側からの電流および燃料および補酵素ＮＡＤまたはＮＡＤＰおよび上で議論された光電アノードの入力成分を準備する関連酵素を使用する、水素のインサイチュ合成の方法からなる。
【００６２】
プロトンと電子からの水素の合成を触媒する触媒は、水素を生成するのに十分な電気化学的電位が提供されるような電気伝導体または他の適切な手段により、以前に開示された電池に使用される光電アノードに取り付けられる。図９を参照のこと。
【００６３】
生成される水素は、以前に開示された光生物燃料電池の燃料成分の改質から発生すると考えられ得る。水素生成のためのエネルギーは、光電アノードおよび任意の関連する補助的アンテナ系により吸収される光および以前に開示された電池の燃料供給源に固有のエネルギーの両方から発生する。記載された上記方法は、炭素含有廃棄物質および低エネルギー含量の燃料を含む種々の燃料供給源を、水素の形態の価値ある燃料に変換するのに有用である。燃料供給源としては、脂肪、炭化水素、炭水化物、タンパク質および光電アノードにより、直接または間接的に酸化される任意の物質が挙げられるが、これらに限定されない。
【００６４】
作動するために、水素生成のための触媒は、適度のｐＨにおける水溶液からのプロトン源および水素を生成するのに十分な還元電位（ｐＨ７でＥ１／２＝−０．４２）を有する電子源を持つ必要がある。ヒドロゲナーゼ酵素が、そのような触媒の例であって、非常に種々の生物体で見出され、そしてそれはプロトンおよび電子からの水素の生成の触媒をする。他の触媒としては、Ｅ−ＴＥＫ  Ｐｔ／Ｃのような種々のプラチナベースの物質が挙げられる。他の適切な触媒は、当業者には明らかである。
【００６５】
本方法の基礎は、光電気化学燃料電池である。燃料電池は、二つの半電池の中で発エルゴン酸化還元化学反応を行っており、生じるエネルギーを使用し、起電力を発生させ、そしてアノードとカソードの間に流れる電流を発生させる。本発明では、光電アノードからの電子の流れは、カソードから触媒へと転送され、プロトンと電子からの水素の生成を触媒する。上記デバイスは、以下：
ａ．水性媒体中で作動する色素感受性のナノ粒子光電アノードからなる電気化学的半電池であって、この電気化学的半電池は、光電アノードの光酸化色素に電子を提供し、それによって自身は酸化される還元剤ＮＡＤＨまたはＮＡＤＰＨを含む。この半電池はまた、適切な酵素と合同して、ＮＡＤＨもしくはＮＡＤＰＨレベルを維持するために還元等量を提供する適切な還元炭素または他の燃料物質を含む。
【００６６】
ｂ．任意の分類のヒドロゲナーゼとして公知の水素生成酵素を含む、水素生成のための触媒に電気的に連結した第２電極。その触媒を担持している電極は、電気伝導体により光電アノードに繋がれ、光電アノード区画にあり得るか、または膜、フリットもしくは塩矯のような半透過デバイスを経由して光電アノード半電池に結合され得る。
【００６７】
ｃ．適切な光源
からなるハイブリッド電気化学燃料電池である。
【００６８】
（半電池機能の詳細）
（光電アノード）
光電アノードの一成分（図９の左側）は、導電性表面であり、光に対して透明であり得る。スズドープ酸化インジウム（Ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）でコートしたガラスもしくは溶融シリカまたはフッ素ドープ酸化スズ（ｆｌｕｏｒｉｎｅ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）でコートしたガラスもしくは溶融シリカ、は透明導電物質の例である。この物質の表面は、広帯域ギャップ半導体ナノ粒子の層で覆われている。適切な物質の例としては、二酸化スズおよび二酸化チタンである。上記ナノ粒子の表面上に、光吸収増感色素（図９のＳ）の層が沈着される。この物質は、電池が使用される励起源が、顕著な光子束を有するスペクトル領域における、光を吸収する。その最低励起状態（一重項、三重項）のいくつかのエネルギーおよびその第一酸化電位は、一重項状態または三重項状態が、エネルギー的にＳ＋を発生するナノ粒子性表面に電子を注入できるようなものである。この事象は、酸化された増感剤、Ｓ＋、およびナノ粒子層を通って上記導電体表面に、従って外部電子回路に移動する、可動性電子の生成につながる。増感剤Ｓは、適切な効率で上記励起状態のＳがナノ粒子層に電子を注入することを動力学的に可能ならしめる構造配置において、ナノ粒子の表面に結合させ得る機能を担持する。
【００６９】
（酸化還元共役対）
酸化還元共役対は、ＮＡＤＨ／ＮＡＤ＋またはＮＡＤＰＨ／ＮＡＤＰ＋からなり、どの種が上記燃料物質を酸化することに対して活性があるかに依存する。混合物を種々の燃料供給源に適応する適切な酵素で、使用され得る。電池は、上記光電アノードの発光時に作動するので、存在するＮＡＤＨもしくはＮＡＤＰＨは、ＮＡＤ＋もしくはＮＡＤＰ＋に変換される。このプロセスにおいて、二つの電子が酸化型増感剤Ｓ＋により、ＮＡＤＨもしくはＮＡＤＰＨから除去され、Ｓが再生され、電子が外部回路を通る。適切な酵素と協調して、上記燃料物質はＮＡＤＨまたはＮＡＤＰＨを再生し、それら自身は酸化される。このように、Ｓは光触媒としてリサイクルされ、ＮＡＤＨまたはＮＡＤＰＨはリサイクルされ、上記回路を通って流れる電子は、プロトンから水素を生成するヒドロゲナーゼにより使用される。
【００７０】
（電解液）
半電池の電解液は、本来は水性で、光電アノード、酸化還元共役対およびヒドロゲナーゼが、上記の如く機能できるような環境を提供する。上記電解液は、任意の必要な緩衝液、塩または電池の安定な作動を確実にするのに必要な他の物質を含む。
【００７１】
（触媒）
適切な電気回路を通って光電アノードから触媒へ流れる電子は、化学反応式：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２に従って、プロトンと電子から水素の合成を引き起こすのに十分な還元電位を有する。水素生成のための全ての触媒の中で、上記ヒドロゲナーゼ酵素としては、Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ  ｃｏｌｉ、Ｎｏｓｔｏｃ  ｍｕｓｃｏｒｕｍ、Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ  ｒｕｂｒｕｍ、Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  Ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ、Ｃｈｒｏｍａｔｉｕｍ  ｖｉｎｏｓｕｍなどのような生物体由来の［Ｎｉ、Ｆｅ］ヒドロゲナーゼが挙げられるが、決してこれらに限定されない。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｉｕｍ  ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍおよび他のような生物体由来の［Ｆｅ］ヒドロゲナーゼもまた、使用され得る。上記ヒドロゲナーゼ電極の連結は、Ｒｅｓｈａｄら（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ３８、８９９２〜８９９９（１９９９））または当業者に理解される改変電極および分子レベルでの電気接触技術を含む他の適切な手段により、記載され得る。
【００７２】
（配置）
本発明は、図９に示されるように単独で、光電アノードと以前に記載した燃料供給源または上述のように、太陽光生物燃料電池において、酸素還元カソードと平行に針金で接続され、使用され得る。特定のヒドロゲナーゼ酵素は、酸素の存在下で、それらが阻害されるという点において自己調節するので、これは可能である。酸化条件下で、上記デバイスは、光電アノードからカソードへ電流を流す、光エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスとして作動する。酸素が存在しないときまたは酸素濃度が低い場合、カソード（酸素が消費される）への電流は、は遅く、ヒドロゲナーゼ酵素の酸素阻害は減少し、水素合成は加速される。この態様で機能すると、水素はエネルギー貯蔵媒体であり、その系は適切なエネルギー濃度で固体状態の貯蔵媒体を取り込み得る。
【００７３】
暗時または重電流需要下では、生成され、そして貯蔵される水素は、ヒドロゲナーゼにより酸化され、電子をアノードに供給し、それにより光生物燃料電池による電子の光触媒生成にとって換わる。あるいは、この水素酸化は、光電アノードの発光および燃料の消費に加えて使用され得、従って光生物燃料電池の出力を増強する。この態様による作動は、酸素耐性ヒドロゲナーゼまたはヒドロゲナーゼ酵素からの酸素を排除する手段が要求され、この意味で上記の議論された自己調節作動に取って換わるものである。
【００７４】
（実施例１−水素生成の量子収率、ＴＰＰ−ＣＯＯＨ光電アノードからＥＴＥＫ  Ｐｔ／Ｃカソード）
Ａ）実験準備
１）Ｎａｆｉｏｎ  Ｎ−１１２プロトン交換膜により分離された二つの区画の電池。
【００７５】
２）初期アノード溶液：１５ｍｌ：２５０ｍＭ  Ｔｒｉｓ−ＨＣＬ  ｐＨ８。
【００７６】
３）初期カソード溶液：３ｍｌ：２５０ｍＭ  Ｔｒｉｓ−ＨＣＬ  ｐＨ８。
【００７７】
４）７ｍｍ×２４ｍｍ片のＬＴ  １４０Ｅ−Ｗ低温ＥＬＡＴガス拡散電極、織布（Ｄｅ  Ｎｏｒａ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｉｎｃ，Ｅ−ＴＥＫ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）上のＰｔ電極を含むマイクロポーラス層を、カソード電池に挿入した。
【００７８】
５）両溶液を、Ａｒで、１時間バブルした。
【００７９】
Ｂ）プラチナ表面活性化
１）Ａｒをカソード電池から除去した。カソード電池を、Ｔｈｅｒｍｏｇｒｅｅｎ  ＬＢ−２隔壁（Ｓｕｐｅｌｃｏ）でシールした。
２）白地ＴｉＯ２／ＦＴＯアノード（ＥＣＮ）を、アノード電池に挿入した。アノード電池は、実験中ずっとＡｒバブルをした。
３）電極を、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６１７電位計を通して接続して電流を測定した。
４）上記ＴｉＯ２アノードを、Ｘｅアークランプおよび短パスフィルター（λ＜１１００ｎｍ）で２０分間発光させた。
【００８０】
Ｃ）ＴＰＰ−ＣＯＯＨ光電アノードからの水素生成
１）上記ブランクＴｉＯ２／ＦＴＯアノードを、上記アノード電池から除去した。４３ｍｇのＮＡＤＨをアノード溶液に添加して、上記アノード溶液中でほぼ４ｍＭ  ＮＡＤＨにした。
【００８１】
２）ＴＰＰ−ＣＯＯＨ（ポルフィリン）処理ＴｉＯ２／ＦＴＯ光電アノードを、背後からの照射のために上記アノード電池に挿入した。
【００８２】
３）上記カソード頭隙気体（カソード電池は密封されたまま）をＡｒに交換して、上記活性化時間の間に生成された全ての水素を除去した。
【００８３】
４）上記光電アノードを、５２０ｎｍ単色光源（１．９８ｍＷ／ｃｍ２）で１４０分間照射した。通過した電流を、全体を通して測定した。
【００８４】
５）この照射プロセスの間、水素を、２０分間隔で測定した。各水素測定は、０．７ｃｃのＡｒを上記カソード電池に注入する工程、その後の０．７ｃｃの頭隙気体の回収を包含した。上記頭隙気体サンプルを、ガスクロマトグラフィー（Ｖａｒｉａｎ  ３８００−ＣＰ）によって分析した。結果を図１０に示す。
【００８５】
Ｄ）量子収率計算
フォトダイオード電流＝２４２．５マイクロアンペア
光強度（ｍＷ／ｃｍ２）＝（（２４２．５Ｅ−６Ａ／０．２９２８Ａ／Ｗ）＊１０００）／０．４１９ｃｍ２＝１．９８ｍＷ／ｃｍ２
溶液中のＰＡ領域＝２．４７５ｃｍ２
入射ｍＷ全体＝（１．９８ｍＷ／ｃｍ２）＊（２．４７５ｃｍ２）＝４．９０ｍＷ
光子／秒＝［（４．９０ｍＷ）＊（５２０ｎｍ）＊１０１３］／１．９８７＝１．２８Ｅ１６光子／秒
ＩＰＣＥ：
０分〜１４０分（８４００秒）
１．５６マイクロモルの生成された水素
Ｈ２中の３．１２Ｅ−６ｍｏｌ電子
Ｈ２中の１．８８Ｅ１８電子
０分〜１４０分（８４００秒）
（１．２８Ｅ１６光子／秒）＊８４００秒＝１．０７Ｅ２０光子
ＩＰＣＥ＝（Ｈ２中の１．８８Ｅ１８電子）／（１．０７Ｅ２０入射光子）＝０．０１７６
ＬＨＥ＝１−（１０−Ａ）
光電アノードの５２０ｎｍでの吸収＝０．２１０
ＬＨＥ＝１−（１０−０．１２０）＝０．３８３
量子収率＝ＩＰＣＥ／ＬＨＥ＝０．０１７６／０．３８３＝０．０４６０
量子収率＝４．６％。
【００８６】
（光生物学的燃料電池閉鎖系における、低価値有機物質の変換）
別の実施形態において、本発明は、上記の太陽エネルギーおよび光電アノード系を用いた、閉鎖系における低価値／低エネルギーの有機物質から高価値／高エネルギーの有機物質へのインサイチュ変換のための方法を含む。上記光電アノードの出力側からの電流、および上記燃料、および補酵素ＮＡＤまたはＮＡＤＰ、および上記光電アノードの入力成分を構成する関連酵素を用いる水素の合成は、上記で議論されるとおりである。
【００８７】
プロトンと電子からの水素合成を触媒するヒドロゲナーゼ酵素は、電気伝導体または他の適切な手段を用いて、上記される電池において用いられる光電アノードに結合され、それにより、充分な電気化学的電位が提供されて、還元区画において水素を生成する（図１２を参照のこと）。この還元区画は、半透過性デバイスによって上記光電アノード区画に連結され、そして、水素生成を担うヒドロゲナーゼ酵素に加えて、補酵素ＮＡＤＰを利用する第２のヒドロゲナーゼを含む。この第２のＮＡＤＰ依存型ヒドロゲナーゼは、上記ヒドロゲナーゼ保持電極によって生成される水素を消費し、上記プロセスにおいて、ＮＡＤＰ＋をＮＡＤＰＨへと還元し、そして、水素イオンを遊離させる。上記ＮＡＤＰＨは、使用されて、他の酵素（例えば、オキシドレダクターゼ酵素）に還元力を提供し、これらの酵素は、それらの基質とともに、上記還元区画に存在しても別個の区画に存在してもよい。これらの酵素は、ＮＡＤＰＨの還元力を使用して、有用な高価値／高エネルギーの生成物を合成する。
【００８８】
生成された水素は、既に開示された光生物学的燃料電池の燃料成分の改質から得られるものと考えられ得る。上記水素生成のためのエネルギー、そして従って、ＮＡＤＰＨ生成のためのエネルギーは、上記光電アノードおよび任意の関連する付随するアンテナ系によって吸収される光、ならびに既に開示された電池の燃料源に固有のエネルギーの両方から得られる。記載される方法は、それが、閉鎖系において還元された炭素化合物の形態にある、種々の燃料源（炭素含有廃棄物質および低エネルギー含有燃料を含む）を価値のある燃料または化学物質に変換するという点で、有用である。上記燃料源としては、脂肪、炭化水素、炭水化物、タンパク質および上記光電アノードによって直接的または間接的に酸化される任意の物質が挙げられるが、これらに限定されない。このシステムにおいて、太陽エネルギーの入力は、上記酸化区画と還元区画との間に、酸化還元平衡の化学電位差を与える。この化学電位は、上記酸化区画における低価値／低エネルギー燃料の、上記還元区画における高価値／高エネルギー化合物への最終的な変換のために、利用可能である。これは、各区画において、上記物質の酸化還元状態のみが変化するという点で、閉鎖系であり得る。例えば、メタノールは、上記還元区画においてメタンに還元され、共同して、アルデヒドは、上記酸化区画において酸に酸化される。
【００８９】
ヒドロゲナーゼ酵素は、広範な種々の生物体において見出され、そしてプロトンおよび電子からの水素の形成を触媒する。作動するために、それらは、緩和なｐＨの水溶液からのプロトン源および水素を形成するために充分な還元電位（ｐＨ７でＥ１／２＝−０．４２Ｖ）を有する電子源を有さなければならない。
【００９０】
ＮＡＤＰ依存型ヒドロゲナーゼ酵素（また、ＮＡＤＰ連結型ヒドロゲナーゼ酵素としても公知）は、広範な種々の生物体に存在し、そして分子水素によって、ＮＡＤＰ＋のＮＡＤＰＨへの還元を触媒する。
【００９１】
ＮＡＤＰ依存型オキシドレダクターゼ酵素（また、ＮＡＤＰ連結型オキシドレダクターゼ酵素としても公知）は、広範な種々の生物体に存在し、そして生合成代謝経路において、ＮＡＤＰＨによって特定の炭素含有化合物の還元を触媒する。所望される正確な生成物は、上記電池の還元区画において用いられる必要な基質および特定のＮＡＤＰ依存型酵素の存在によって決定される。これらの酵素は、右の上記還元区画におけるＮＡＤＰ連結型オキシドレダクターゼとして、図１２に示される。
【００９２】
上記方法の基礎は、２つの区画に分割された光電化学燃料電池である。燃料電池は、２つの半電池において酸化化学反応および還元化学反応を実施し、そして結果として生じるエネルギーを使用して、起電力およびアノードとカソードとの間を流れる電流を生じる。本発明において、上記光電アノード区画（図１２の左の酸化区画）からの電子の流れは、上記カソードから酵素へと向けられ、右の上記還元区画において、プロトンと電子からの水素の形成を触媒する。この酵素は、ＮＡＤＰ依存型ヒドロゲナーゼとともに、別個の区画である上記還元区画に配置され、上記アノード区画と共役する。この区画における酸化還元平衡は、上記光電アノードが光に曝され、そしてそれが機能するために必要な全ての上記構成要素が存在する場合に、高度に還元に傾ける。上記デバイスは、ハイブリッド電気化学燃料電池であり、このデバイスは、以下からなる：
ａ．水性媒体中で作動する色素感受性ナノ粒子光電アノードからなる、電気化学半電池であって、この電気化学半電池は、電子を上記光電アノードにおいて上記光酸化色素に付与し、それによってそれ自体は酸化される還元剤ＮＡＤＨまたはＮＡＤＰＨを含む、電気化学半電池。この半電池はまた、適切な酵素（ＮＡＤＨレベルまたはＮＡＤＰＨレベルを維持する還元当量を提供する）と組み合わせて適切な還元炭素または他の燃料物質を含む。光中で、この区画の上記酸化還元平衡は、高度に酸化に傾く。それは、図１２において左に示される。
【００９３】
ｂ．上記酸化区画における上記光電アノードおよびヒドロゲナーゼとして公知の任意のクラスの水素生成酵素に電気的に結合される、第２の電極。このヒドロゲナーゼ保持電極は、電気伝導体によって上記光電アノードに繋がれるが、右に示される別個の区画に配置し、そして半透過性デバイス（例えば、膜、フリットまたは塩橋）を介して上記光電アノード半電池区画に結合される。上記ワイアまたは電気伝導体および上記半透過性膜／フリット／塩橋は、上記２つの区画を一緒に共役するために役割を果す。上記光電アノードを化学作用光に曝すことは、この区画の上記酸化還元平衡を高度に還元に傾ける。
【００９４】
ｃ．光電アノードに繋げられたヒドロゲナーゼを含む区画は、また、ＮＡＤＰ依存型ヒドロゲナーゼを含む。この酵素は、式ＮＡＤＰ＋＋Ｈ２−＋ＮＡＤＰＨ＋Ｈ＋に従って、ＮＡＤＰ＋のＮＡＤＰＨへの同時還元を伴う水素のプロトンへの変換を触媒する。高還元電位でのＮＡＤＰＨの生成は、高価値／高エネルギーの化合物の合成を可能にする。
【００９５】
ｄ．合成されるべき化合物は、さらなる特定の酵素であるＮＡＤＰ連結型オキシドレダクターゼ、またはＮＡＤＰＨおよび必要であり得る他の基質によって提供される還元電位を利用することによって、問題の生成物の形成を触媒する酵素の存在によって決定される。
【００９６】
ｅ．適切な光源。
【００９７】
（電池機能の詳細）
（光電アノード）
上記光電アノード（図１２の左）の１つの構成要素は、導電性表面であり、この導電性表面は、光に対して透過性であり得る。スズドープ酸化インジウムコーティングガラスまたはスズドープ酸化インジウムコーティング溶融シリカは、透過性伝導材料の例である。この材料の表面は、広帯域ギャップの半透過性ナノ粒子の層で覆われている。適切な材料の例は、二酸化スズおよび二酸化チタンである。上記ナノ粒子の表面上に、光吸収増感色素（図１２におけるＳ）の層が堆積される。この物質は、上記電池が使用される励起光源が顕著なプロトン束を有するスペクトル範囲の光を、吸収する。その最低励起状態（一重項、三重項）のうちのいくらかのエネルギーおよびその第１の酸化電位は、上記一重項または三重項が、電子を上記ナノ粒子表面に注入して、Ｓ＋を生じることが、エネルギー的に可能であるようなものである。この事象は、上記酸化増感剤Ｓ＋、および上記ナノ粒子層を通って上記導電性表面へ、そして従って、外部の電気的回路へと移動する可動性電子の形成を引き起こす。上記増感剤Ｓは、適切な効率で電子をナノ粒子層に注入することが動力学的に可能なＳの励起状態を与える構造的な配置において、ナノ粒子の表面に結合することを可能にする機能を所持している。
【００９８】
（酸化還元共役対）
酸化還元共役対は、どちらの種が、酸化されるべき燃料物質に対して活性であるかに依存して、ＮＡＤＨ／ＮＡＤ＋またはＮＡＤＰＨ／ＮＡＤＰ＋からなる。混合物は、種々の燃料源に適応する適切な酵素とともに使用され得る。上記電池が、上記光電アノードの照射の際に作動すると、存在するＮＡＤＨまたはＮＡＤＰＨは、ＮＡＤ＋かまたはＮＡＤＰ＋かに変換される。このプロセスにおいて、２つの電子が、上記酸化増感剤Ｓ＋によってＮＡＤＨまたはＮＡＤＰＨから除かれ、Ｓを再生し、そして電子は、上記外部回路を通って通過する。上記燃料物質は、適切な酵素と協力して、上記ＮＡＤＨまたはＮＡＤＰＨを再生し、そしてそれ自体は酸化される。従って、Ｓは、光触媒として再利用され、そしてＮＡＤＨまたはＮＡＤＰＨは、再利用され、そして上記回路を通って流れる電子は、上記ヒドロゲナーゼによって使用されて、プロトンから水素を生成する。
【００９９】
（電解液）
上記半電池の電解液は、本質的には水性であり、上記光電アノード、酸化還元共役対およびヒドロゲナーゼが、上記のように機能し得る環境を提供する。上記電解液は、任意の必要な緩衝液、塩または上記電池の安定な作動を確実にするために必要な他の物質を含む。上記電解液は、上記２つの区画において異なり得、そして各区画において、上記酸化還元酵素の性能に対して最適化され得る。
【０１００】
（ヒドロゲナーゼ酵素）
適切な電気コンジットを通って、上記光電アノード電子から上記ヒドロゲナーゼ（例えば、図１２におけるＮｉＦｅヒドロゲナーゼ）へと流れる電子は、化学方程式：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２に従ってプロトンおよび電子から水素の合成を駆動するために充分な、還元電位を有する。上記ヒドロゲナーゼ酵素としては、例えば、Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ．ｃｏｌｉ、Ｎｏｓｔｏｃ  ｍｕｓｃｏｒｕｍ、Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ  ｒｕｂｒｕｍ、Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ、Ｃｈｒｏｍａｔｉｕｍ  ｖｉｎｏｓｕｍなどのような生物体由来のＮｉＦｅヒドロゲナーゼが挙げられるが、これらに限定されない。例えば、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｉｕｍ  ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍなどのような生物体由来のＦｅのみのヒドロゲナーゼもまた、使用され得る。上記ヒドロゲナーゼ電極結合は、Ｒｅｓｈａｄら（１９９９）Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ３８：８９９２−８９９９によって、または改変電極および分子レベルの電気的接触技術を含む他の適切な手段によって記載されるようであり得る。
【０１０１】
（ＮＡＤＰ連結型ヒドロゲナーゼ酵素）
電子は、上記のように生成された水素によって、この触媒へと運ばれ、そして使用されてＮＡＤＰ＋をＮＡＤＰＨへと還元する。必要な還元電位は、水素を介して上記光電アノードによって提供され、そしてＮＡＤＰ＋／ＮＡＤＰＨ酸化還元共役対の還元を平衡に保つために充分である。
【０１０２】
（ＮＡＤＰＨ連結型オキシドレダクターゼ酵素）
広範な種々のこれらの酵素は、生存生物体の還元的生合成経路において見出せる。選択される具体的な１つは、所望される高い値／エネルギーの還元される炭素含有化合物に依存する。
【０１０３】
（配置）
本発明は、上記に記載のように、既に開示されたか、または太陽光生物学的燃料電池の還元区画において酸素還元カソードと並行に繋がれた、上記光電アノードおよび燃料源を用いて、図１２に示されるように使用され得る。これは、特定のヒドロゲナーゼ酵素は、酸素の存在下ではそれらが阻害されるという点で自己調節性であることから、可能である。酸化的条件において、上記デバイスは、上記光電アノードから上記カソードへの電流を有する光エネルギーから電気エネルギーへの変換デバイスとして作用する。酸素が存在しない場合または酸素濃度が低い場合、上記カソードへ流れる電流は、（酸素が消費される場合に）遅く、上記ヒドロゲナーゼ酵素の酸素阻害は、減少され、そして水素合成およびＮＡＤＰＨ生成は、促進される。この様式で、機能すると、上記還元区画において、水素およびＮＡＤＰＨおよび還元される燃料化合物は、エネルギー貯蔵媒体であり、そして上記系は、水素に対する適切なエネルギー密度のための固体状態の媒体を組み込み得る。
【０１０４】
暗所においてかまたは大量の電流が要求される場合、生成され、そして貯蔵される水素および還元される燃料化合物は、それぞれ、上記ヒドロゲナーゼおよびＮＡＤＰＨ連結型オキシドレダクターゼによって酸化され、そして上記アノードに電子を提供して、それによって、上記光生物学的燃料電池によって電子の光電触媒的生成を置換する。あるいは、このプロセスは、上記光電アノードの照射および燃料消費に加えて使用され得、従って、上記光生物学的燃料電池の出力を増大する。この様式での操作は、ヒドロゲナーゼに耐性の酸素または上記ヒドロゲナーゼ酵素から酸素を除く手段を必要とし、そしてこの意味において、上記で議論された自己調節性操作に対して代替的である。
【０１０５】
本発明は、特定の好ましい実施形態に対する参照によって詳細に記載されるが、本発明はそれらの正確な実施形態に限定されないことが、理解されるべきである。むしろ、本発明を実施するための現在の最も良い様式を記載する本開示に照らし合わせて、多くの改変および変更が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、当業者にそれらの改変および変更を示す。特に、本発明は、当業者に理解されるように変化し得るように記載された、特定の方法論、プロトコール、細胞株、動物の種または属、構成および試薬に限定されないことが、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１は、酵素および酸化還元メディエータ（Ｒ）の存在下での、光増感剤（Ｓ）による炭素含有化合物（燃料）の光電電気化学酸化を示す概略図である。
【図２】図２は、上記光電化学特性および電池特性の評価において使用される発電電池の構造を示す図であり、ここで、参照番号２１は、発電電池を示し、参照番号２２は、シリコーンプラグを示し、参照番号２３は、負極を示し、参照番号２４は、対極を示し、参照番号２５は、基準電極を示し、参照番号２６は、電解液を示し、そして参照番号２７は、空気電極を示す。
【図３】図３は、上記発電電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図４】図４は、酵素およびメタノールの種々の組み合わせを含む溶液中の、時間に対するＮＡＤＨ濃度の変化を示す図である。
【図５】図５は、上記発電電池の上記電解液において消費されるＮＡＤＨの量と、上記外部回路によって上記発電電池から除去される電子の量との間の関係を示す図である。
【図６】図６は、上記発電電池の上記電解液において消費されるＮＡＤＰＨの量と、上記外部回路によって上記発電電池から除去される電子の量との間の関係を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、上記発電電池の上記電解液における、経時的なＮＡＤＨ濃度の変化を示す図であり；図７Ｂは、上記発電電池の上記電解液における、経時的なＮＡＤＨ濃度の変化を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａは、上記発電電池の上記電解液における、経時的なＮＡＤＨ濃度の変化を示す図であり；図７Ｂは、上記発電電池の上記電解液における、経時的なＮＡＤＨ濃度の変化を示す図である。
【図８】図８は、上記発電電池の上記電解液において消費されるＮＡＤＨの量と、上記外部回路によって上記発電電池から取り出される電子の量との間の関係を示す図である。
【図９】図９は、本発明の１つの実施形態を示す概略図であり、ここで、光生物学的燃料電池は、触媒とともに使用されて、水素を生成する。
【図１０】図１０は、本発明の実施に従う光生物学的燃料電池において生成される水素の量を、クローンの関数および時間の関数として示すグラフである。光電アノードおよびＥ−ＴＥＫ  Ｐｔカソード、５２０ｎｍ照射、電子供給源としてのＮＡＤＨ。
【図１１】図１１Ａは、光電アノードに対して、活性化Ｅ−ＴＥＫ  Ｐｔの電池電流を示すグラフである、λ＝５２０ｎｍ、電子供給源としてのＮＡＤＨ；図１１Ｂは、ＴｉＯ２／ＦＴＯ光電アノードにおけるＴＰＰ−ＣＯＯＨの吸収、ブランクＴｉＯ２／ＦＴＯベースラインを示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の別の実施形態の概略図であり、ここで、光生物学的燃料電池は、閉鎖系において、低価値／低エネルギー有機物質を高価値／高エネルギー物質に変換する（ｃｏｖｅｒｔ）ために使用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2007516577.tif 000017
【国際調査報告】
2007516577.tif 000018
2007516577.tif 000019
2007516577.tif 000020