(57)【要約】代替燃料、特に、光活性ナノ粒子およびニトロゲナーゼ補因子を含む系によって光触媒的に生成された水素を提供するための系および方法が提供される。一態様では、系は、表面がメルカプトスクシネートでキャッピングされた水溶性セレン化カドミウムナノ粒子（ＣｄＳｅ）（ＣｄＳｅ−ＭＳＡ）、およびＮａｆＹタンパク質と、鉄−モリブデン補因子（ＦｅＭｏ−ｃｏ）とを含むＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体を含み、ＣｄＳｅ−ＭＳＡおよびＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体は、約１：２〜１：１０のモル比で存在する。
2021517827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを光触媒的に生産するための系であって、
表面がメルカプトスクシネートでキャッピングされた水溶性セレン化カドミウムナノ粒子（ＣｄＳｅ）（ＣｄＳｅ−ＭＳＡ）、および
ＮａｆＹタンパク質と、鉄−モリブデン補因子（ＦｅＭｏ−ｃｏ）とを含むＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体
を含み、
前記ＣｄＳｅ−ＭＳＡおよびＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体が、約１：２〜１：１０のモル比で存在する、系。
【請求項２】
前記ＣｄＳｅ−ＭＳＡおよび前記ＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体が、約１：２、１：３、１：４または１：５のモル比で存在する、請求項１に記載の系。
【請求項３】
プロトンおよび電子を提供するための亜ジチオン酸ナトリウムをさらに含む、請求項１に記載の系。
【請求項４】
前記亜ジチオン酸塩が、約２ｍＭ〜１Ｍまたは約２〜１００ｍＭまたは約２〜１０ｍＭの濃度で提供されている、請求項３に記載の系。
【請求項５】
アスコルビン酸、酢酸、クエン酸および二酸化炭素などの追加のプロトン源をさらに含む、請求項３に記載の系。
【請求項６】
約５〜９０日、１０〜７２日または３９〜７２日の長期間にわたって水素ガスを光触媒的に生産することができる、請求項１に記載の系。
【請求項７】
嫌気条件下に保たれる、請求項１に記載の系。
【請求項８】
前記ＮａｆＹタンパク質が、Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ  Ｖｉｎｅｌａｎｄｉｉに由来する、請求項１に記載の系。
【請求項９】
前記ＦｅＭｏ−ｃｏが、モリブデン−鉄（ＭｏＦｅ）タンパク質に由来する、請求項１に記載の系。
【請求項１０】
前記ＭｏＦｅタンパク質が、Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ  Ｖｉｎｅｌａｎｄｉｉに由来する、請求項９に記載の系。
【請求項１１】
水素ガスを生産するための方法であって、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の系を、ピーク波長が約４００〜５２５ｎｍの光源で照射するステップを含む、方法。
【請求項１２】
前記ピーク波長が約４２５ｎｍである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ピーク波長が約４６０ｎｍである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記光源の強度が約１８，０００〜１，２００，０００ｌｕｘまたは約５０，０００〜８００，０００ｌｕｘである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
水素ガスを生産するための方法であって、系を、ピーク波長が約４００〜５２５ｎｍの光源で照射するステップを含み、前記系が、
表面がメルカプトスクシネートでキャッピングされた水溶性セレン化カドミウムナノ粒子（ＣｄＳｅ）（ＣｄＳｅ−ＭＳＡ）、および
ＮａｆＹタンパク質と、鉄−モリブデン補因子（ＦｅＭｏ−ｃｏ）とを含むＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体を含む、方法。
【請求項１６】
前記ピーク波長が約４２５ｎｍである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ピーク波長が約４６０ｎｍである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記光源の強度が約１８，０００〜１，２００，０００ｌｕｘまたは約５０，０００〜８００，０００ｌｕｘである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記ＣｄＳｅ−ＭＳＡおよびＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体が、約１：１またはそれよりも低いモル比で存在する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＣｄＳｅ−ＭＳＡおよび前記ＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体が、約１：２、１：３、１：４または１：５のモル比で存在する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記系がプロトンおよび電子を提供するための亜ジチオン酸ナトリウムをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記亜ジチオン酸塩が、約２ｍＭ〜１Ｍまたは約２〜１００ｍＭまたは約２〜１０ｍＭの濃度で提供されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記系が、アスコルビン酸、酢酸、クエン酸および二酸化炭素などの追加のプロトン源をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記系が、約５〜９０日、１０〜７２日または３９〜７２日の長期間にわたって水素ガスを光触媒的に生産することができる、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その全開示が参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年３月１３日出願の米国特許仮出願第６２／６４２，４０１号の利益および優先権を主張する。
【０００２】
本開示は概して、代替燃料、特に、光活性ナノ粒子およびニトロゲナーゼ補因子を含む系によって光触媒的に生成された水素を提供するための系および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
グリーンエネルギー輸送源としての水素の世界的な需要が年々高まっている。主要な自動車製造業者は、トヨタ・ミライおよびホンダ・クラリティなどの、水素燃料電池で走行する手頃な自動車モデルを開発している（１、２）。カリフォルニアを中心とするいくつかの米国の州は、水素ハイウェイ構想を採用している（３）。ＥＵおよびその他の多数の国は、今後１０〜１５年の内燃機関の販売を禁止している（４）。
使用場所でのオンサイトの持続可能な水素生成系は、最も主要な水素生産方法である水蒸気メタン改質の代替的方法として経済的かつ環境的に魅力的である（５）。したがって、水素を生産するための改善された系および方法に対する必要性が存在する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｖｉｎｃｅｎｔ  Ｋｙｌｉｅ  Ａ．ら、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗｓ，（２００７）１０７，４３６６〜４４１３
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様では、水素ガスを光触媒的に生産するための系であって、表面がメルカプトスクシネートでキャッピングされた水溶性セレン化カドミウムナノ粒子（ＣｄＳｅ）（ＣｄＳｅ−ＭＳＡ）、およびＮａｆＹタンパク質と、鉄−モリブデン補因子（ＦｅＭｏ−ｃｏ）とを含むＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体を含み、ＣｄＳｅ−ＭＳＡおよびＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体が、約１：２〜１：１０のモル比で存在する系が本明細書で提供される。
【０００６】
一部の実施形態では、ＣｄＳｅ−ＭＳＡおよびＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体は、約１：２、１：３、１：４または１：５のモル比で存在してもよい。
【０００７】
一部の実施形態では、系は、プロトンおよび電子を提供するための亜ジチオン酸ナトリウムをさらに含んでもよい。一部の実施形態では、亜ジチオン酸塩は、約２ｍＭ〜１Ｍまたは約２〜１００ｍＭまたは約２〜１０ｍＭの濃度で提供される。ある特定の実施形態では、系は、アスコルビン酸、酢酸、クエン酸および二酸化炭素などの追加のプロトン源をさらに含んでもよい。
【０００８】
一部の実施形態では、系は、約５〜９０日、１０〜７２日または３９〜７２日の長期間にわたって水素ガスを光触媒的に生産することができる。
【０００９】
種々の実施形態では、系は嫌気条件下に保たれる。ＮａｆＹタンパク質は、Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ  Ｖｉｎｅｌａｎｄｉｉに由来してもよい。ＦｅＭｏ−ｃｏは、モリブデン−鉄（ＭｏＦｅ）タンパク質に由来してもよい。ＭｏＦｅタンパク質は、Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ  Ｖｉｎｅｌａｎｄｉｉに由来してもよい。
【００１０】
別の態様では、水素ガスを生産するための方法であって、本明細書に開示される系を、ピーク波長が約４００〜５２５ｎｍの光源で照射するステップを含む、方法が本明細書に提供される。一部の実施形態では、ピーク波長は約４２５ｎｍである。一部の実施形態では、ピーク波長は約４６０ｎｍである。一部の実施形態では、光源の強度は約１８，０００〜１，２００，０００ｌｕｘまたは約５０，０００〜８００，０００ｌｕｘである。
【００１１】
さらなる態様では、水素ガスを生産するための方法であって、系を、ピーク波長が約４００〜５２５ｎｍの光源で照射するステップを含み、系が、表面がメルカプトスクシネートでキャッピングされた水溶性セレン化カドミウムナノ粒子（ＣｄＳｅ）（ＣｄＳｅ−ＭＳＡ）、およびＮａｆＹタンパク質と、鉄−モリブデン補因子（ＦｅＭｏ−ｃｏ）とを含むＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体を含む方法が本明細書に提供される。
【００１２】
一部の実施形態では、ピーク波長は約４２５ｎｍまたは約４６０ｎｍである。一部の実施形態では、光源の強度は約１８，０００〜１，２００，０００ｌｕｘまたは約５０，０００〜８００，０００ｌｕｘである。
【００１３】
一部の実施形態では、ＣｄＳｅ−ＭＳＡおよびＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体は、約１：１またはそれよりも低いモル比、例えば約１：２〜約１：１０の範囲で存在する。一部の実施形態では、ＣｄＳｅ−ＭＳＡおよびＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ錯体は、約１：２、１：３、１：４または１：５のモル比で存在する。
【００１４】
一部の実施形態では、系は、プロトンおよび電子を提供するための亜ジチオン酸ナトリウムをさらに含む。一部の実施形態では、亜ジチオン酸塩は、約２ｍＭ〜１Ｍまたは約２〜１００ｍＭまたは約２〜１０ｍＭの濃度で提供される。ある特定の実施形態では、系は、アスコルビン酸、酢酸、クエン酸および二酸化炭素などの追加のプロトン源をさらに含む。
【００１５】
種々の実施形態では、系は、約５〜９０日、１０〜７２日または３９〜７２日の長期間にわたって水素ガスを光触媒的に生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、例示的な水素生成試料の成分を示す図である。メルカプトコハク酸でキャッピングされたＣｄＳｅ（２μＭ）をＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ（２μＭ）と錯体形成した。犠牲電子供与体（Ｎａ２Ｓ２Ｏ４）が２ｍＭの濃度で存在する。
【００１７】
【図２】図２は、例示的な水素試料を１８ヶ月間にわたる水素生産体積の比較によって示す、水素生成の進捗を示す図である。
【００１８】
【図３】図３は、初期検証実験からの３０００倍の増加を実証する、２４時間目に測定されたバースト率を示す図である。進捗は、実用化可能性の達成ならびに水素および燃料電池市場への参入に向けて進む。
【００１９】
【図４】図４は、特定の波長のＬＥＤ光で照射された試料の水素生産の比較を示す図である。ロイヤルブルーＬＥＤ光の前方の試料が、時間をわたり最も多くの水素を生産する。反応条件は、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４であった。
【００２０】
【図５Ａ】図５Ａは、１５日間の実験での、白色光の前方の水素生成試料のＵＶ−ｖｓスペクトルを示す図である。反応条件は、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４であった。吸収スペクトルの主要な特色である赤方偏移が、露光の２４時間後に測定されたことに留意されたい。この偏移は、水素生産率の増加に関連する。吸光度は露光から１５日後に減少し始めるが、これは溶液の色の光退色および触媒能の損失が観察されたことと一致する。
【００２１】
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａと同じ反応条件でロイヤルブルーＬＥＤで照射され、より低エネルギーの光で照射されたのみの試料を示す図である。主要な特色である同様の初期の赤方偏移が存在するが、吸光度は白色ＬＥＤで照射された試料より速い速度で減少することに留意されたい。試料は６日目に分解および／または光退色し始め、これは沈殿物の蓄積と一致する。
【００２２】
【図６】図６は、いずれも白色ＬＥＤで、しかし異なる強度測定値で照射された２つの試料セットの、同じ条件（２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４）での比較を示すプロット図である。強度が高いほど、水素生産率が増大する。
【００２３】
【図７】図７は、強度が異なるが同じ波長の青色ＬＥＤ光の前方の、２つの試料セットの比較を示す図である。その他の反応条件は同じである。高強度のＬＥＤで照射されると、初期水素生産が増大する。
【００２４】
【図８Ａ】図８Ａは、最も高強度のロイヤルブルーＬＥＤ光に配置された最適化セット分析論１の試料を示す図である。試料は、露光から２４時間目の測定でおよそ２０．５ｋｇのＨ２／触媒ｍｏｌ／日の高バースト率を達成したが、触媒のナノ粒子の吸光度は持続せず、ナノ粒子は最初の２４時間以内に沈殿した。反応条件は、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、１０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４であった。ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの比は１：１であることに留意されたい。
【００２５】
【図８Ｂ】図８Ｂは、ロイヤルブルーＬＥＤの前方に配置された試料の図である。ただし、強度は半分であり、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ成分の比は１：２である。試料は、４日目の露光を過ぎて吸収が顕著に減少するまで、ＵＶ−ｖｉｓスペクトルで観察されるように持続した。
【００２６】
【図８Ｃ】図８Ｃは、ロイヤルブルーＬＥＤの前方に配置された試料の図である。ただし、強度は半分であり、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ成分の比は１：３である。試料は、１０日目の露光を過ぎて吸収が顕著に減少するまで、ＵＶ−ｖｉｓスペクトルで観察されるように持続した。
【００２７】
【図９Ａ】図９Ａおよび９Ｂは、ＣｄＳｅのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏに対する比が１：２および１：３の試料セットの水素生成を示す図である。１：２の比の試料がより高いバースト率を示したが、１：３の比の試料は持続した定常の水素生成を実証した。
【図９Ｂ】図９Ａおよび９Ｂは、ＣｄＳｅのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏに対する比が１：２および１：３の試料セットの水素生成を示す図である。１：２の比の試料がより高いバースト率を示したが、１：３の比の試料は持続した定常の水素生成を実証した。
【００２８】
【図１０Ａ】図１０Ａ、１０Ｂおよび１０Ｃは、高強度の白色ＬＥＤ光の前方の、ＣｄＳｅのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏに対する様々な成分比でのＵＶ−ｖｉｓデータの対比を示す図である。１：１の比のＵＶ−ｖｉｓ吸光度は、８日目までに顕著な減少を示す。１：２試料は２０日目までに吸光度の減少を示し、３７日目には吸光度をほぼ全く示さない。１：５試料は、２５日目まで分光法の特色である吸収のわずかな減少を示した。図１０Ａおよび１０Ｂに示される試料セットは、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、１ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４、２ｍＭの酢酸であった。図１０Ｃに示される試料セットは、１：５の比の１μＭのＣｄＳｅ、５μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、１ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４、２ｍＭの酢酸であった。
【図１０Ｂ】同上。
【図１０Ｃ】同上。
【００２９】
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０Ａ、１０Ｂおよび１０Ｃに記載される異なる比を有する３つのセットについて、合計水素生産量を示す図である。
【００３０】
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、１：２の比のセットで達成された定常率とともに外挿率を示す図である。１：５の比のセットは、１：２の比のセットより高率の初期率を達成し、さらに、数週間定常を保ったＵＶ−ｖｉｓ吸光度に一致する定常状態率をもたらした。
【００３１】
【図１２Ａ】図１２Ａ〜１２Ｄは、高強度のシアン色ＬＥＤ光の前方の、１：１、１：２、１：３および１：４での、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの間の４つの対照的な比のデータの試料セットを示す図である。比率がより高い試料は最も長期間にわたって最も持続した吸光度データを示す。２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４が反応条件であった。
【図１２Ｂ】図１２Ａ〜１２Ｄは、高強度のシアン色ＬＥＤ光の前方の、１：１、１：２、１：３および１：４での、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの間の４つの対照的な比のデータの試料セットを示す図である。比率がより高い試料は最も長期間にわたって最も持続した吸光度データを示す。２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４が反応条件であった。
【図１２Ｃ】図１２Ａ〜１２Ｄは、高強度のシアン色ＬＥＤ光の前方の、１：１、１：２、１：３および１：４での、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの間の４つの対照的な比のデータの試料セットを示す図である。比率がより高い試料は最も長期間にわたって最も持続した吸光度データを示す。２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４が反応条件であった。
【図１２Ｄ】図１２Ａ〜１２Ｄは、高強度のシアン色ＬＥＤ光の前方の、１：１、１：２、１：３および１：４での、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの間の４つの対照的な比のデータの試料セットを示す図である。比率がより高い試料は最も長期間にわたって最も持続した吸光度データを示す。２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４が反応条件であった。
【００３２】
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１２Ａ〜１２Ｄの試料の水素生産の合計の比較を示す図である。１：１が最高のバースト率を示すが、定常の水素生産は１：２および１：３試料で最も良好に実証される。
【００３３】
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、持続した率が、より高い比率の試料セットで最も良好に達成されることを示す、外挿率を示す図である。より高い犠牲供与体投入量でより高い水素生産率が達成された。
【００３４】
【図１４Ａ】図１４は、高強度の青色ＬＥＤ光で照射された２つの試料セットを示す図である。ＣｄＳｅのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏに対する比は、それぞれ１：１と１：４であった。鮮明な青色光条件では、１：４試料セットは均質性を２２日間維持し、吸収の減少がわずかである。１：１の比の試料セットは、露光の２４時間以内に沈殿した。２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、１０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４が反応条件であった。
【図１４Ｂ】図１４は、高強度の青色ＬＥＤ光で照射された２つの試料セットを示す図である。ＣｄＳｅのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏに対する比は、それぞれ１：１と１：４であった。鮮明な青色光条件では、１：４試料セットは均質性を２２日間維持し、吸収の減少がわずかである。１：１の比の試料セットは、露光の２４時間以内に沈殿した。２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、１０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４が反応条件であった。
【００３５】
【図１５Ａ】図１５Ａおよび１５Ｂは、１：１試料セットの高バースト率を示す、水素生成の結果を示す図である。１：４は持続した定常率を示す。
【図１５Ｂ】図１５Ａおよび１５Ｂは、１：１試料セットの高バースト率を示す、水素生成の結果を示す図である。１：４は持続した定常率を示す。
【００３６】
【図１６Ａ】図１６Ａは、３９日間にわたって持続した水素生産を実証した、初期最適化フェーズにおける試料セットの継続期間を示す図である。
【００３７】
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、白色ＬＥＤ光および青色ＬＥＤ光の前方の両方の試料セットの水素生成が３０日間継続することを示す図である。
【００３８】
【図１７Ａ】図１７Ａは、系のスイッチ「オン」および「オフ」される能力を実証する、広域スペクトルのハロゲン光の前方の試料セットを示す図である。試料の条件は、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４であった。最初のプロット図は試料の水素生産対配置後日数を示しており、これらの試料は、光の前方に置かれた後、示される期間にわたって暗所に移された。黄色のバーは、試料に光を当てた日を示す。第２のプロット図は、試料の水素生産対露光日数を示す。
【００３９】
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、最初に暗所条件に配置され、次に図１７Ａに示す試料とは異なる間隔で露光された、同じ反応条件の「暗所」と標識された試料セットの図である。
【００４０】
【図１８Ａ】図１８Ａおよび１８Ｂは、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４の条件で配置された試料の図である。露光前に暗所で一定期間費やした試料は、わずかな水素生産の増加を示した。
【図１８Ｂ】図１８Ａおよび１８Ｂは、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４の条件で配置された試料の図である。露光前に暗所で一定期間費やした試料は、わずかな水素生産の増加を示した。
【００４１】
【図１９Ａ】図１９Ａおよび１９Ｂは、図１８Ａおよび１８Ｂに示されるＬＥＤ試料セットによる水素生成のプロット図の続きである。配置から１２日間継続して露光した後、試料を５３日間暗所に置き、次に明所に戻してさらに水素を生成させた。図１９Ａは水素の合計対配置後日数のプロット図であり、図１９Ｂは水素の合計対露光日数のプロット図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａおよび１９Ｂは、図１８Ａおよび１８Ｂに示されるＬＥＤ試料セットによる水素生成のプロット図の続きである。配置から１２日間継続して露光した後、試料を５３日間暗所に置き、次に明所に戻してさらに水素を生成させた。図１９Ａは水素の合計対配置後日数のプロット図であり、図１９Ｂは水素の合計対露光日数のプロット図である。
【００４２】
【図２０Ａ】図２０Ａおよび２０Ｂは、５３日間の暗所を経た試料セットについての、図１９Ａ、１９Ｂのデータのさらなる分析を示す図である。試料セットは露光再開後に継続して水素を生産したが、率は同じ試料の開始時生産率に比べて減少した。試料の条件は、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４であった。図２０Ａは水素の合計対露光日数のプロット図であり、暗所での５３日後に明所に戻された試料はプライム記号（’）で再標識され、５４日目は新たな露光１日目としてプロットされる。図２０Ｂは、外挿水素生成率対露光日数のプロット図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａおよび２０Ｂは、５３日間の暗所を経た試料セットについての、図１９Ａ、１９Ｂのデータのさらなる分析を示す図である。試料セットは露光再開後に継続して水素を生産したが、率は同じ試料の開始時生産率に比べて減少した。試料の条件は、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４であった。図２０Ａは水素の合計対露光日数のプロット図であり、暗所での５３日後に明所に戻された試料はプライム記号（’）で再標識され、５４日目は新たな露光１日目としてプロットされる。図２０Ｂは、外挿水素生成率対露光日数のプロット図である。
【００４３】
【図２１Ａ】図２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃは、ロイヤルブルーＬＥＤ光の前方に置かれた試料セットの対照的なＵＶ−ｖｉｓデータを示す図である。図２１Ａに示される高エネルギーかつ高強度の光の前方の試料は、９日目までに吸光度の減少を示す。図２１Ｂは、全継続期間暗所に保たれた試料のスペクトルを示す図である。１２日目に暗所試料に光を当て、類似の配置時間スタンプとして０’日目と標識した。図２１Ｃは、１２日間の暗所から開始してその後露光され、９日間の露光にわたって吸光度を維持した試料のスペクトルを示す図である。
【図２１Ｂ】図２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃは、ロイヤルブルーＬＥＤ光の前方に置かれた試料セットの対照的なＵＶ−ｖｉｓデータを示す図である。図２１Ａに示される高エネルギーかつ高強度の光の前方の試料は、９日目までに吸光度の減少を示す。図２１Ｂは、全継続期間暗所に保たれた試料のスペクトルを示す図である。１２日目に暗所試料に光を当て、類似の配置時間スタンプとして０’日目と標識した。図２１Ｃは、１２日間の暗所から開始してその後露光され、９日間の露光にわたって吸光度を維持した試料のスペクトルを示す図である。
【図２１Ｃ】図２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃは、ロイヤルブルーＬＥＤ光の前方に置かれた試料セットの対照的なＵＶ−ｖｉｓデータを示す図である。図２１Ａに示される高エネルギーかつ高強度の光の前方の試料は、９日目までに吸光度の減少を示す。図２１Ｂは、全継続期間暗所に保たれた試料のスペクトルを示す図である。１２日目に暗所試料に光を当て、類似の配置時間スタンプとして０’日目と標識した。図２１Ｃは、１２日間の暗所から開始してその後露光され、９日間の露光にわたって吸光度を維持した試料のスペクトルを示す図である。
【００４４】
【図２２Ａ】図２２Ａおよび２２Ｂは、図２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃに示される試料の水素生成を示す図である。暗所でのインキュベーションがスペクトルの完全性の維持に寄与した可能性があるが、これらの試料は全体的により少ない量の水素を生産した。図２２Ａは、水素生産の合計対露光日数のプロット図であり、図２２Ｂは外挿水素生成率対露光日数である。
【図２２Ｂ】図２２Ａおよび２２Ｂは、図２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃに示される試料の水素生成を示す図である。暗所でのインキュベーションがスペクトルの完全性の維持に寄与した可能性があるが、これらの試料は全体的により少ない量の水素を生産した。図２２Ａは、水素生産の合計対露光日数のプロット図であり、図２２Ｂは外挿水素生成率対露光日数である。
【００４５】
【図２３Ａ】図２３Ａおよび２３Ｂは、露光を中止し水素生産を停止した試料セットの水素生産についてのさらなるデータを示す図である。これらの試料はシアン色光の前方に置いた。図２３Ａは水素生産の合計対暗所の日数を含む配置後日数のプロット図であり、図２３Ｂは水素生産の合計対露光日数のプロット図である。
【図２３Ｂ】図２３Ａおよび２３Ｂは、露光を中止し水素生産を停止した試料セットの水素生産についてのさらなるデータを示す図である。これらの試料はシアン色光の前方に置いた。図２３Ａは水素生産の合計対暗所の日数を含む配置後日数のプロット図であり、図２３Ｂは水素生産の合計対露光日数のプロット図である。
【００４６】
【図２４Ａ】図２４Ａおよび２４Ｂは、１０日間の水素生成実験の最中に、暗所で３日間費やすことは水素生成を妨げないことを実証するデータを示す図である。図２４Ａは水素生産の合計対暗所の日数を含む配置後日数のプロット図であり、図２４Ｂは水素生産の合計対露光日数のプロット図である。
【図２４Ｂ】図２４Ａおよび２４Ｂは、１０日間の水素生成実験の最中に、暗所で３日間費やすことは水素生成を妨げないことを実証するデータを示す図である。図２４Ａは水素生産の合計対暗所の日数を含む配置後日数のプロット図であり、図２４Ｂは水素生産の合計対露光日数のプロット図である。
【００４７】
【図２５Ａ】図２５Ａ、２５Ｂおよび２５Ｃは、高エネルギーの青色ＬＥＤ光の前方の、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの比が１：３の試料セットを示す図である。図２５Ａは水素生産の合計対暗所の日数を含む配置後日数のプロット図であり、図２５Ｂは水素生産の合計対露光日数のプロット図である。図２５Ｃは外挿水素生成率対露光日数のプロット図である。
【図２５Ｂ】図２５Ａ、２５Ｂおよび２５Ｃは、高エネルギーの青色ＬＥＤ光の前方の、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの比が１：３の試料セットを示す図である。図２５Ａは水素生産の合計対暗所の日数を含む配置後日数のプロット図であり、図２５Ｂは水素生産の合計対露光日数のプロット図である。図２５Ｃは外挿水素生成率対露光日数のプロット図である。
【図２５Ｃ】図２５Ａ、２５Ｂおよび２５Ｃは、高エネルギーの青色ＬＥＤ光の前方の、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの比が１：３の試料セットを示す図である。図２５Ａは水素生産の合計対暗所の日数を含む配置後日数のプロット図であり、図２５Ｂは水素生産の合計対露光日数のプロット図である。図２５Ｃは外挿水素生成率対露光日数のプロット図である。
【００４８】
【図２６】図２６は、亜ジチオン酸ナトリウムを単独で含む種々の試料セットならびに亜ジチオン酸ナトリウムとアスコルビン酸および亜ジチオン酸ナトリウムと酢酸を含む追加のセットについての水素生産を示す図である。すべての試料は高強度の青色光の前方に置いた。
【００４９】
【図２７】図２７は、青色光の強度がより低く、亜ジチオン酸ナトリウムの量および亜ジチオン酸ナトリウム／酢酸投入量がより少ない２つの試料セットの水素生産を示す図である。持続した水素生産率が観察された。反応条件は、一方のセットで２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏおよび０．５ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４、別のセットで２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、０．５ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４および０．５ｍＭの酢酸であった。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
別段定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者に一般に理解されるものと同じ意味を有する。本開示で使用するための方法および材料が本明細書に記載されるが、当技術分野で公知の他の好適な方法および材料が使用されてもよい。材料、方法および例はほんの例示であり、限定的であるとは意図されない。本明細書で言及されるすべての刊行物、特許出願、特許、データベースエントリーおよび他の参考文献は、それらの全体が参照により組み込まれる。矛盾する場合、定義を含む本明細書が優先する。
【００５１】
本明細書で使用する場合、冠詞「ａ」および「ａｎ」は、冠詞の文法的対象物の１つまたは１つより多く（すなわち、少なくとも１つ）を指すように本明細書で使用される。例として、「要素」は１つの要素または１つより多くの要素を意味する。
【００５２】
本明細書で使用する場合、用語「約」は２０％以内、より好ましくは１０％以内、最も好ましくは５％以内を意味する。
【００５３】
「ピーク波長」は、供給源の光学出力が最大である波長を意味する。
【００５４】
本開示は、太陽エネルギーを利用して、今世紀の最重要課題である代替燃料を生産することができる触媒系に関する。実際に、最も広範に使用されている化石燃料である石油は、最終的に枯渇する可能性がある。天然産物と人工の成分の両方を利用するいくつかの触媒系が科学文献で報告されている。ハイブリッド系のいくつかは、細菌中の水素を酸化還元する酵素であるヒドロゲナーゼを、単独で、または白金とカップリングされた光化学系Ｉと組み合わせて使用する。本開示の目的は、より少量の触媒天然成分とともに、入手が制限される金属白金ではなく、より安価な集光半導体を使用する系を開発することであった。驚くべきことに、本開示の系は予想外の長寿命を示し、水素を長期間生産することができる。系を作製および使用するための方法もまた提供される。
【００５５】
再生可能な水素源を生成する光生体触媒系は複数の理由で魅力的であり、この理由としては、化石燃料を使用する代わりに可視光源を用いて電子を供給し、安価な弱酸を原料に利用することが挙げられる（７）。ＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ触媒系の近年の進歩および改善は、これに限定されないが、顕著な商業的利点を伴う、使用場所でのオンサイトの水素送達系を含む種々の利点を達成している。実施形態では、これらの改善は、水素生産率、水素生産継続期間を増大させ、さらに触媒の理解を向上させ、その性能の改善に寄与している。さらに、水素生産率の増加は「バースト」率と特定され、これは典型的に実験開始から２４時間以内に測定によって観察される。
【００５６】
本明細書に記載される実施形態は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，６０５，２７９号（６）に開示される系などの、水素を生産するセレン化カドミウムＮａｆＹタンパク質ＦｅＭｏ−ｃｏ触媒系（ＣｄＳｅ・ＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ）になされる改善を説明する。改善には、触媒系の実用化可能性を促進する驚くべき発見が含まれる。
【００５７】
一部の実施形態では、本明細書に開示されるＣｄＳｅ・ＮａｆＹ・ＦｅＭｏ−ｃｏ系による水素生産は、以下のうちの１つまたは複数によって著しく増強される可能性がある：
−  照射波長（例えば、約４００〜５５０ｎｍまたは約４２５〜５２５ｎｍのピーク波長、または青色ＬＥＤもしくはロイヤルブルーＬＥＤのピーク波長）および強度（例えば、約１８，０００〜１，２００，０００ｌｕｘ、または約５０，０００〜８００，０００ｌｕｘ）；
−  原料としてのプロトンの入手可能性または供給源（例えば、亜ジチオン酸塩、酢酸、アスコルビン酸、クエン酸および／または水に溶解された二酸化炭素のうちの１つまたは複数）；および／または
−  成分の完全性（例えば、成分の互いに対する比）。
【００５８】
驚くべきことに、ＣｄＳｅのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏに対する比は、触媒の完全性および水素生産の継続期間に影響を及ぼすことが見出された。試料は可視光スペクトルの特定の波長のＬＥＤで照射されるか、日光で照射されてもよい。様々な実施形態では、ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの濃度は、ＣｄＳｅとＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの比が１：２、１：３、１：４または１：５であるように変動してもよい。ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏのＣｄＳｅに対する過剰量が多いほど、電子特性の持続および溶液の均質性が長引く。これはまた、ＣｄＳｅ投入量あたりの水素生産率の低下に直接つながる。触媒は、率の減少が原料投入量の増加で部分的に相殺される程度まで、原料の投入量の増加に耐えることができる。
【００５９】
別の驚くべき発見は、電子供与体の投入量をさらに過剰にする（亜ジチオン酸塩Ｎａ２Ｓ２Ｏ４のスパイク）と、経時的に触媒系の完全性が脅かされる可能性があるということである。したがって、亜ジチオン酸塩の濃度を十分に低く維持すること、および／または代替的もしくは追加のプロトン供与体を使用することが望ましい場合がある。水素生成が停止する場合がある１つの理由は、電子源が消費されたことであった。試料のスパイクは、より多くのプロトンおよび電子を提供するために亜ジチオン酸ナトリウムを用いて行った（亜ジチオン酸塩は還元剤として作用するだけでなく、モノマー形態で水と反応してプロトンも生産するため）が、試料を数週間、ハロゲンとＬＥＤ光の両方の光試料の前方に供したところ、亜ジチオン酸ナトリウム自体が触媒そのものを脅かした可能性があることが提示された。亜ジチオン酸ナトリウムがナノ粒子の表面と相互作用し、表面の欠損をもたらした可能性があることが提示された。光励起電子は、吸着されたＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏへの電子の移動に参与してプロトンの還元を促進するのではなく、再結合を経た可能性がある。プロトン源および電子源は、亜ジチオン酸ナトリウム試薬（Ｎａ２Ｓ２Ｏ４）であった。この供給源の濃度を増大させると、水素生産が増大することが示された。試料を亜ジチオン酸ナトリウムの追加注入で「スパイク」し、３または４または５日目に、濃度を２ｍＭまたはそれより高い濃度に戻した。二量体の亜ジチオン酸イオン（Ｓ２Ｏ４−２）は、そのモノマー形態（ＳＯ２・−）である二酸化硫黄ラジカルと平衡状態にあることが公知である。このモノマーが、以下の反応順序によって示されるように水と反応してプロトンを形成する。亜ジチオン酸ナトリウムが反応ミックスに存在することにより、酸素スカベンジャーとして作用して嫌気環境を維持するだけでなく、犠牲電子供与体となり、ＣｄＳｅナノ粒子の光活性化の結果として形成された励起子のホールを埋める（１３）。
【化１】
2021517827.tif 000003
【００６０】
理論に束縛されることを望むことなく、亜ジチオン酸塩がナノ粒子の表面に結合し、配位子効果に寄与する可能性があると考えられる。触媒が、試料の配置後にその元の状態から変化したこと、ならびにこれらの変化は、ＵＶ−ｖｉｓスペクトル、触媒溶液の実際の外観、および生産された水素の測定量で観察されることが示唆される。亜ジチオン酸ナトリウムがこれらの変化において果たす役割は、ＴＥＭなどのナノ粒子表面の特徴付け技術で調査することができる（１４）。実施形態では、電子およびプロトン供与体の濃度レベルの維持は、酢酸、アスコルビン酸、クエン酸および水に溶解された二酸化炭素などの、亜ジチオン酸ナトリウム以外の他の供給源を使用することによって達成されてもよい。
【００６１】
実施形態では、系は、水素生産率の増加とある程度相関するスペクトルの変化を経る。
【００６２】
実施形態では、光源の追加または除去によって水素生成をオンおよびオフすることができる。
【００６３】
実施形態では、系の安定性は、タンパク質成分の存在によって増強する場合がある。
【００６４】
他の水素生成方法に対する本開示のＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ系のある特定の利点を以下に要約する。
【表４】
2021517827.tif 000004
【実施例】
【００６５】
本開示の態様は、いかなる様態でも本開示の範囲を制限するものと解釈されるべきではない以下の実施例に照らしてさらに理解することができる。
（実施例１）
水素生成反応成分の調製
【００６６】
実施形態では、触媒を含む成分をアセンブルした。ニトロゲナーゼ酵素の成分ＩであるＭｏＦｅタンパク質をコードするＮｉｆ  ＤＫ遺伝子のＮｉｆ  ＤのＣ末端にポリヒスチジンタグを結合することにより、Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ  Ｖｉｎｅｌａｎｄｉｉを遺伝子操作した。この遺伝子構築物はＤＪ９９５と特定される（８）。ＭｏＦｅタンパク質を、細胞壁溶解によって、ならびに亜鉛を添加した固定化金属アフィニティーカラムおよびイオン交換カラム液体クロマトグラフィーを用いて嫌気的に精製した。鉄モリブデン補因子（ＦｅＭｏ−ｃｏ）を酸抽出し、厳密な嫌気条件下で有機溶媒であるＮ−メチルホルムアミドに溶解した（９）。
【００６７】
安価な集光材料であるセレン化カドミウムを、キャッピング剤をトリオクチルホスフィンからメルカプトコハク酸に交換することによって合成および官能化し、水可溶化を可能にした（ＣｄＳｅ−ＭＳＡ）（１０）。ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏを、厳密な嫌気条件下でＭｉｌｌｉｐｏｒｅ濃縮器において組み合わせた。濃縮したＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ溶液を不活性雰囲気の圧着密閉試料バイアルに添加した。同モル数のＣｄＳｅ−ＭＳＡをバイアルに添加すると、触媒が自己組織化した。水素生成系の図については図１を参照されたい。３０分後、溶液を２．０ｍＭの亜ジチオン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓ２Ｏ４）に接触させた。試料のＵＶ−可視吸収スペクトルを測定し、ベースラインを補正した。試料をＬＥＤパネルの前方に置いた。温度をモニタリングした。およそ２４時間ごとまたは数日間隔でヘッドスペース試料を採取し、ガスクロマトグラフに注入した。１日はおよそ２４時間である。
【００６８】
実施形態では、本明細書に記載されるように策定された新規の道具であるＡｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ  Ｖｉｎｅｌａｎｄｉｉ細胞、新規に合成および官能化されたセレン化カドミウム粒子を使用した反応成分によって水素生産のベースラインを確立した。これらの検証水素生産値は、触媒ＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏが１モルであると想定し、０．０１４ｋｇのＨ２／触媒ｍｏｌ／日であると計算された。
【００６９】
実施形態では、実験条件は以下の通りであった。２５ｍＭのトリス中２．０μＭのＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２．０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４試料を作製し、シュレンク管装置を使用して完全に脱気した。最適化セットの実験を、犠牲電子供与体として作用する１０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４を有する最適化セットＪの１セットを除き、同じ触媒の濃度で実行した。ＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ系の水素生成率は、検証率の０．０１４ｋｇのＨ２／触媒ｍｏｌ／日から、１０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４を含む試料の最適化セットＡＡの平均４４．１ｋｇのＨ２／触媒ｍｏｌ／日に増加した。これは、典型的に、実験開始から２４時間目の測定を越えて持続しない「バースト」率と特定される。
【００７０】
この率の増加を、１モルの触媒が存在し、系が１対１でスケールアップする可能性があると想定して計算した。系は、対応する全体的な水素生産の増加を伴う、成分が１．５ｍＬの体積から２．５ｍＬの体積に変化する１回のスケールアップを既に達成している。
【００７１】
対応する水素生産の増加を伴う、最適化セットが後に続くベースラインを設定した実験の検証セットからの率の増加の、図および表による説明を図２および表１に示す。
【表１】
2021517827.tif 000005
【００７２】
（実施例２）
水素生成試料を照射するＬＥＤ光の種々の波長および強度の効果
まず、水素生成試料を５００ワットのハロゲンランプで照射される検証フェーズに配置した。最適化セットをＬＥＤ光の前方に配置した。最初に各バイアルを１つの白色ＬＥＤに配置し、次に、明るさ（強度）が調整可能である、２３２個のＬＥＤ光が３インチ×８インチの面積に埋め込まれ、電源に接続された特定の波長のＬＥＤパネルの前方に配置した。特定の波長のＬＥＤを使用することにより、試料をより高エネルギー（より短い）波長の前方に設置すると、水素生産が増大することが分かった。
【００７３】
試料を、両側（前方および後方）がＬＥＤパネルで照射されるように置いた。ロイヤルブルー（ピーク波長４２５ｎｍ）ＬＥＤは、測定される最高生産率が８時間の露光で平均４４．１ｋｇのＨ２／触媒ｍｏｌ／日である８０，０００ｌｕｘの強度と、１０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４との組合せで高レベルの水素生産をもたらすことが示されている。青色（ピーク波長４６０ｎｍ）ＬＥＤは、最適化セットＪについて、３００，０００ｌｕｘの強度測定値と１０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４の組合せで、上記で言及されたように２４時間目に測定して、現在のところ２番目に多い水素生成を実証した。
【００７４】
高エネルギーのＬＥＤが高い水素生産率をもたらすことを示すために、同じバッチからの同一の成分を使用して、２５ｍＭのトリス中２．０μＭのＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２．０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４試料のセットに種々の光波長および強度を適用した。緑色（５２５ｎｍ）、シアン色（５１０ｎｍ）、白色（４６０ｎｍ、蛍光体を含む）および青色（４６０ｎｍ）の試料では、ファンによる空気循環を使用して、ＬＥＤ光を所望の温度範囲（２２〜２６℃）内に維持した。ロイヤルブルー（４２５ｎｍ）ＬＥＤは、所望の温度を維持するために、ＴＥＣＡペルチェ冷却プレートを使用する必要があった。実施形態では、ロイヤルブルーＬＥＤの前方の試料は、他の変数すべてが同じである場合に最高の水素生成率を実証した。実施形態では、青色が白色光を上回った。白色光とシアン色光は同様の水素生産をもたらした。結果のグラフを図４に示す。各光セットの平均が点線で示されることに留意されたい。実線は最も高生産の試料を示す。実施形態では、試料セット内の高生産の試料は、ＬＥＤ光パネルの前方の位置と一致した。末端に置かれた試料は全体的に露光をあまり受けない傾向にあり、水素をそれほど多く生産しなかった。
【００７５】
（実施例３）
水素生成実験の経過中に観察されたスペクトルの変化。
ロイヤルブルーＬＥＤ光がより多くの水素生産をもたらすという結論が観察されたが、試料そのもので観察される外観の変化が、目視で、さらにスペクトルの変化によって注目すべきものであった。ＵＶ−ｖｉｓスペクトルで２つの特性変化が観察された。典型的に、最初の２４時間以内に吸収スペクトルに約１０ｎｍの赤方偏移が見られた。この赤方偏移は、水素生産の増加とも一致する。目視では、試料の色の変化が見られた。第２に、数日にわたる照射で吸光度が減少し、分解プロセスが始まり量子ドットが沈殿した。吸光度が半分またはそれより多く減少すると、水素生産の減少が示される。観察されたスペクトルの変化は、Ｎａ２Ｓ２Ｏ４投入量、ならびに励起された電子の再結合によって電子が分子を吸着した表面へ移動するのを軽減させることが公知である配位子効果、およびそれによる表面の欠損に寄与することによる、ナノ粒子の表面に対するＮａ２Ｓ２Ｏ４の影響に関連する可能性があることが仮定される。例示のために、試料を照射するＬＥＤの波長を除き同じ実験条件を用いた２つの異なる試料および１５日間の試行で取得したＵＶ−ｖｉｓスペクトルを図５に示す。試料はいずれも赤方偏移を示す。ロイヤルブルーＬＥＤパネルの前方の試料は、白色ＬＥＤパネルの前方の試料に比べ顕著な吸光度の減少を示す。実施形態では、ＬＥＤ照射に関する条件のセットは、最適な水素生成を達成すると同時に、触媒の試料完全性を保持し、触媒の動作期間をさらに延長させることができる。青色ＬＥＤまたはさらには高強度の白色もしくはシアン色ＬＥＤは、水素生産の増加を達成して持続性を改善する可能性がある。
【００７６】
水素生産の増強はまた、電子の移動を向上させ、水素生産の増大をもたらすより有利な配位子効果を有する可能性がある他の電子／プロトン供与体成分を使用することによって達成することができる。
【００７７】
図５Ａおよび５Ｂは、最適化セットＩ試料のＵＶ−ｖｉｓスペクトルを示す。上（図５Ａ）の試料は白色ＬＥＤで照射され、１５日目までの持続した吸光度、および水素を生産する継続的な触媒の機能を示した。下（図５Ｂ）の試料はロイヤルブルーＬＥＤで照射され、６日目に吸光度が顕著に減少し、触媒動作に影響を及ぼした。
【００７８】
結論として、より高エネルギーのＬＥＤ光源の光への曝露は、赤方偏移に続く吸光度の減少、およびそれによる触媒の分解への寄与によって示されるナノ粒子の表面変化を加速させるように思われた。
【００７９】
（実施例４）
実験での強度の変動および対応する水素生産値。
強度は水素生成率に有意な効果を及ぼし得る。実施形態では、２つの試料セットを同一の条件：２５ｍＭのトリス中２．０μＭのＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２．０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４で配置した。図６に示されるプロット図は、８０，０００ｌｕｘ対光および試料を許容範囲まで冷却するためのファンを使用して達成された最大ｌｕｘの白色ＬＥＤの結果である。黒色の実線でプロットされたデータは高生産の試料であり、点線は白色ＬＥＤ光下の８０，０００ｌｕｘでの実験の平均である。灰色の実線および点線でプロットされたデータは、同じ白色ＬＥＤについて強度を合計３２８，０００ｌｕｘに増加させた結果である。
【００８０】
図７に示される実施例では、より高い強度で水素生成率が増加した。青色ＬＥＤを、試料を許容範囲の温度に維持するための冷却プレートの補助の下、最大強度で置いた。さらに、ここでは、強度は合計８０，０００ｌｕｘから合計約３２８，０００ｌｕｘにおよそ４倍増加した一方、生成された水素の量は、実験の最初の数日で４倍より大きく増加したことに留意されたい。
【００８１】
ここでもまた、より高い強度の青色ＬＥＤ光はより多量の水素を生産することに留意されたい。ここで、水素生産量に対する強度の効果はほぼ線形応答である。
【００８２】
（実施例５）
反応成分間の比の変化および水素生産の継続期間に対するその効果。
記載される実験の目的は、水素生産を増大させること、および水素生産を３０、６０および９０日間持続させることである。記載されたように、より高エネルギー（より短波長）のＬＥＤ光源および増大した強度（明るさ）は水素生産を増大させる。これはまた、より高いエネルギーおよび強度のＬＥＤ光条件ではコロイド溶液中の触媒の分解が加速するため、問題になることがある。高エネルギーおよび高強度のＬＥＤというより極端な条件を使用して触媒の完全性を持続させるため、成分の比を変化させた。例えば、ロイヤルブルーＬＥＤの前方の試料の、様々な成分比の対照比較を図８Ａ、８Ｂおよび８Ｃに示す。図８Ａは、高強度のロイヤルブルーＬＥＤの前方の、成分比１対１の最適化分析論１のＵＶ−可視分光データを示す。触媒試料は２４時間までに沈殿したが、２４時間目におよそ２０．５ｋｇのＨ２／触媒モル／日が測定された。１日目および２日目の吸光度スペクトルの大幅な減少から示されるように、厳しい条件のＬＥＤ照射および１０ｍＭという高いＮａ２Ｓ２Ｏ４投入量の結果として、最初の２４時間で沈殿が生じた。図８ＢはＣｄＳｅのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏに対する比が１：２である最適化ＡＪを示し、図８ＣはＣｄＳｅのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏに対する比が１：３である最適化ＡＭを示しており、いずれも最適化分析論１のセットと比較すると半分の強度のＬＥＤ条件である。１：２の比の試料である最適化ＡＪは、露光４日目以降に吸収が顕著に低減するまで吸光度を持続し、吸収は１４日目以降はほぼ全く生じない。１：３の比の試料である最適化セットＡＭは、スペクトルの裏付けによって、１０日目まで吸光度が持続し、２９日目に有意な吸光度が観察されたことを示した。
【００８３】
最適化セットＡＪおよびＡＭの水素生産を図９Ａおよび９Ｂに示す。図９Ａは、セットＡＪについて１６日間、セットＡＭについて２９日間の持続期間中に生産された水素の合計量のプロット図である。両方のセットの生産率を図９Ｂにプロットする。一般的に、セットＡＪでは最初の２４時間で高いピーク率が観察される。セットＡＭはピーク率を示さないが、２９日間の持続した生産率を達成する。最終的に、１：２の比の試料は、初期の持続しないバースト率によって始めのうちは最初に１：３の比よりも優れていたが、１：３試料は、継続期間と露光１０日後のより高い生産率により、１：２の比の試料よりも優れていたことに留意されたい。
【００８４】
結論として、高エネルギー波長光では、ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏのＣｄＳｅに対する過剰量により、電子特性の持続および溶液の均質性が長引く。さらに、ＣｄＳｅ成分に対するＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ投入量の増加により、高エネルギー波長光で定常の水素生成率が達成される可能性がある。
【００８５】
より長波長のＬＥＤ光（低エネルギー）の比較データはまた、ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ成分の濃度をＣｄＳｅ成分に比べて増大させると、水素を生産する試料動作の継続期間が延長し、ＵＶ−ｖｉｓスペクトルで観察されるように触媒が持続することを示す。
【００８６】
例えば、１：１の比（それぞれ５ｎｍｏｌ）の３つの試料、１：５の比＊（１ｎｍｏｌのＣｄＳｅ、５ｎｍｏｌのｎａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ）の３つの試料を含む試料セットＡＧを、白色（青色（４６０ｎｍ）と蛍光体フィルター）の前方に配置した。アスタリスクは、異なる比、ただし他の試料に比べて試料溶液中のＣｄＳｅの量が変則的であることを示す。試料ＡＩは、１：２の比（１０ｎｍｏｌのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏに対する５ｎｍｏｌのＣｄＳｅ）の３つの試料を含む。これらの試料はすべて、２ｍＭの酢酸および１ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４を対象に試行した。図１０Ａ〜１０ＣにＵＶ−ｖｉｓデータを示す。
【００８７】
図１０Ａおよび１０Ｂに示される試料セットは、２μＭのＣｄＳｅ、２μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、１ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４、２ｍＭの酢酸であった。図１０Ｃに示される試料セットは、１：５の比の１μＭのＣｄＳｅ、５μＭのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、５ｍＭのＮａＣｌ、１ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４、２ｍＭの酢酸であった。１：１の比の試料（ＡＧ）は、８日目までに大幅に減少し（図１０Ａ）、１：２の比の試料（ＡＩ）は２０日目までに減少し、３７日目には吸収がほぼ全く生じず（図１０Ｂ）、１：５＊の比の試料（ＡＧ’）は、２５日目までスペクトルの特色の大部分を保持した（元の電子特性を保持した）（図１０Ｃ）ことに留意されたい。
【００８８】
ガスクロマトグラフによって水素ガス生産を測定したが、１：５＊の比の試料のＣｄＳｅ投入量が低かったため、全体的な傾向は直接的なものではない。３つすべてではなく、３つの試料セットのうち２つのみが同時に比較可能である。全体的に、１：１の比の試料（ＡＧ）は１：２の比の試料（Ａｌ）、１：５＊の比の試料（ＡＧ’）より多くの水素を生産した。しかし、５ｎｍｏｌのＣｄＳｅ：５ｎｍｏｌのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ（１：１の比）と、１ｎｍｏｌのＣｄＳｅ：５ｎｍｏｌのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ（１：５＊の比）を比較すると、ｋｇＨ２／ＣｄＳｅ１モル／１日の外挿水素生成率がほぼ同一であることが観察される（図１１Ａおよび１１Ｂを参照されたい）。
【００８９】
ＣｄＳｅ１モルあたりの外挿率として測定して、５ｎｍｏｌのＣｄＳｅ：５ｎｍｏｌのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ（１：１の比）は、５ｎｍｏｌのＣｄＳｅ：１０ｎｍｏｌのＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ（１：２の比）より水素生産率が高い。
【００９０】
結論として、白色ＬＥＤ光の前方の試料では、ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏのＣｄＳｅに対する過剰量が多いほど、電子特性の持続および溶液の均質性が長引く。原料溶液はそれに応じて増加していないため、ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏのＣｄＳｅ成分に対する比が高いと、水素生産率が低下することが意図される。ここで実証される重要な点は、水素生産率の持続およびスペクトルデータが減少しないことから観察される、触媒の完全性を維持する能力である。
【００９１】
別のＬＥＤ波長である、試料の合計照射が約３５０，０００ｌｕｘである高強度の５１０ｎｍのシアン色は同様の結果を示した。ここでもまた、ＣｄＳｅ成分をセットの比の最初に列挙する。試料セットＡＫは、１：１の比の２つの試料（図１２Ａ）、１：２の比の２つの試料（図１２Ｂ）を含む。試料セットＡＬは、１：３の比の３つの試料（図１２Ｃ）を含む。試料セットＡＯは、１：４の比の３つの試料（図１２Ｄ）を含む。試料セットは異なる犠牲電子およびプロトン供与体を有した。セットＡＫおよびＡＬは、４ｍＭの酢酸および２ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４を対象に試行した。セットＡＯは、１００ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４を対象とした。
【００９２】
ＵＶ−ｖｉｓスペクトルデータは以下のことを示した。１：１の比の試料は４日目以降大幅に減少し、１：２の比の試料は９日目以降に減少し、１：３の比の試料は１２’’日目までに減少し、１：４の比の試料は９日目現在で依然として重大な低下に至っていないことに留意されたい。’および’’が付された日にちのアポストロフィー記号は、それぞれ１つの暗所期間を示す。
【００９３】
図１３Ａの水素生成データは、生産された水素の合計量を示す。セットＡＫおよびセットＡＩは、後半で同じ合計水素生産量に至ったが、触媒は保持され、より長期間にわたってインタクトである。犠牲電子およびプロトン供与体の原料が多いほど、結果として率が増大し、水素生産が長引く可能性がある。
【００９４】
図１３Ｂに見られるように、１：１の比の試料セットは始めに最も高率で最も多くの水素を生産するが、これは持続しないバースト率である。１：２および１：３の比の試料は、最大率に至るまで少し長く上昇時間を必要とする。いずれのセットもより定常的な率に落ち着き、１：２の比の試料は１：３の比の試料より早くより高いピーク率に達する。１：４の比の試料は酢酸を有さないが、Ｎａ２Ｓ２Ｏ４投入量がはるかに多い。これらの試料は、１：１の比の試料より早くピーク率に達するが、率ははるかに低い。これらの試料はピークバースト率を経ず、すぐに定常率に落ち着く。
【００９５】
結論として、ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏのＣｄＳｅに対する過剰量が多いほど、電子特性の持続および溶液の均質性が長引く。これはまた、水素生産率の低下に直接つながる。触媒は、率の減少が原料投入量の増加で相殺され得る程度まで、原料の投入量の増加に耐えることができる。
【００９６】
合計約３００，０００ｌｕｘにおいて１：４の比の試料セットと比較した１：１の比の試料セットを示す青色（４６０ｎｍ）ＬＥＤ光試料は、他の波長光と同様の結果を示す。１：１の比の２つの試料を含む試料セットＬを図１４Ａに示す。１：４の比の３つの試料を含む試料セットＡＮを図１４Ｂに示す。両方のセットに対する原料投入量は、１０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４を対象に試行した。
【００９７】
スペクトルデータは、図１４Ａおよび１４Ｂを比較して、１：１の比の試料は露光１日以内にほぼ完全に沈殿した一方、１：４の比の試料は２２日間の露光後に依然として溶液中に豊富に存在したことを示す。
【００９８】
図１５Ａでは、１：１の比の試料は水素生成率がはるかに高いが、率は持続せず、触媒は露光数日以内に不均質になることに留意されたい。１：４の比の試料は生成のスパイク率をほぼ全く示さず、露光２４時間以内にすぐに水素生成率が持続し始める。
【００９９】
結論として、反応の継続期間を延長する目的では、図１５Ｂに示されるように、ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏのＣｄＳｅに対する過剰量が多いほど、電子特性の持続および溶液の均質性が長引く。しかし、水素の率がより低いと、原料の濃度が増大し、生産率の持続が向上する可能性がある。
【０１００】
（実施例６）
長期間の継続的な水素生産の実証。
実施形態では、水素生成の継続期間を延長することが実用化可能性のための優先事項である場合がある。一試験では、最適化セットＢの実験条件は以前と同じであった。図１６Ａのプロット図は、３９日目までの継続的な定常生産率を示す。図１６Ｂにプロット図として示される最適化セットＥでは、継続的な定常生産率が３０日間実証された。この系の印象的な驚くべき特色の一つは、酵素成分を含む他の光触媒系と比べて長寿命であることである。科学文献で見られるように、バイオハイブリッド光触媒系を用いた水素生産が分または時間単位で測定される（１１、１２）のに対し、対照的にＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ系は数週間作動することができる。水素生産は、電子またはプロトン供与体が枯渇する、または触媒が沈殿するときに停止する可能性がある。実施形態では、本発明のプロトン供与体の追加の投入量（Ｎａ２Ｓ２Ｏ４のスパイク）は、経時的に触媒系の完全性を脅かすことがある。
【０１０１】
（実施例７）
水素生成実験が水素生産を低下させずにオンおよびオフ、さらに再びオンになる能力の実証。
実施形態では、光源の付加または除去がオン−オフスイッチとして作用する。試料セットを、条件：２５ｍＭのトリス中２．０μＭのＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ、２．０ｍＭのＮａ２Ｓ２Ｏ４で配置した。試料を広域スペクトルのハロゲン光の前方に１日置き、次に暗所に５日間移した。期間中、試料を光、次に暗所に曝露した。データは、２〜５３日間の光のない期間が、露光が再開された後に触媒活性を損失させることなく水素生成を中断させることができることを示す。図１７Ａおよび表２に示される１「日」は約２４時間である。
【０１０２】
「露光」試料は、水素生産が水素の継続期間の様々な段階で開始および停止可能であることを示した。「露光からの除去」後の少量の水素の発生は、光の除去が即時ではなかったことに起因する可能性が高い。試料はＧＣ分析中に周囲光に放置される。また、ＣｄＳｅの量子ドットに対して、緩和期間が予期される。
【０１０３】
「暗所」試料は、図１７Ｂおよび表３に示される触媒混合物が露光を受けない場合、水素生産が生じないことを示した。反応混合物は優れた貯蔵寿命を有するという前例がある。３日間の露光後、生成された水素の量は、「露光」試料が同量の露光によって生産した量の４倍である。
【表２】
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【表３】
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【０１０４】
インキュベーション。実施形態では、前述の試料のように、暗所で一定期間を費やすことは試料に有益であるように思われる。水素生産は試料が明所に戻された後の期間で増強された。
【０１０５】
これらの試験からの結論は、露光されて水素生産を開始した試料は、露光を停止すると非活性化し得ることを指摘する。さらに、光に一度も当たっていない試料は、露光なしでは水素生産を開始しない。
【０１０６】
光に当たらない期間を費やした一部の他の試料は有用である。
【０１０７】
最適化セットＡ試料を配置し、水素ガス生産に対するインキュベーションの潜在的な好影響を調査した。配置後、３つの試料（ＬＥＤ試料）を広帯域ＬＥＤ光に置き（図１８Ａ）、２つの試料を暗所に置いた。１つの遅延試料は非応答であったため、実行可能な試料１つのみを遅延試料とした。水素の合計を異なる時間間隔で測定した。水素生産率を、測定された水素の合計、触媒投入量、時間経過から、ｋｇＨ２／触媒１モル／日として計算した。
【０１０８】
遅延露光または初期インキュベーションによって合計でより多くの水素が生産されたが、試料が１つしか存在しなかったため、インキュベーションまたは暗所で時間を費やすことが水素生産を増強したと結論付けることができない。その後、ＬＥＤ試料を明所から除去し、５３日間暗所に置いた。暗所での５３日後に試料に再び光を当てると、水素生成が再開された。以下のプロット図に、測定された水素の合計をグラフ化する。図１９Ａは、水素の合計対配置後日数を示す。暗所での５３日にわたり有意な水素生産は示されないことに留意されたい。図１９Ｂのプロット図は、水素の合計対露光日数である。プロット図から休止期間の間隔を除くと、水素生産は途切れないように思われることに留意されたい。
【０１０９】
以下の結果のグラフでは、５３日の休止前後に生産された水素の量を比較して、生産された水素の合計量対露光日数をプロットし、６５日目を第２の０日目（配置日）として扱う（図２０Ａ）。休止後の全体的な水素生産率は、真の配置後の初期の露光による初期の生産率より低かったことに留意されたい。試料が休止に入る直前対直後の生産率を比較すると（図２０Ｂ）、率がわずかに増加した。しかし、初期の水素生成率が初期の減少後に漸減するこの傾向は、ほとんどの試料セットに共通である。
【０１１０】
結論として、試料を配置直後に原料が存在する状態で暗所に置くことと定義される暗所インキュベーションまたは休止期間は、高生産の水素生成をもたらさなかった。５３日の休止期間（実験中インキュベーション期間）もまた、水素生成率を増加させなかった。しかし、配置後暗所で時間を費やし、５３日間暗所で時間を費やした試料は、驚くべきことに、触媒の水素生成能が低下しない。
【０１１１】
暗所でのインキュベーションは、いくつかの興味深いスペクトルデータをもたらした。より高エネルギー（より短波長）の光はナノ粒子を損傷し、したがって長期間にわたって水素を生成する触媒の機能を脅かすことが認識されていた。一定のインキュベーション期間を経た試料と、実験配置直後にＬＥＤの前方に置かれた試料を比較した、最も高エネルギーのＬＥＤ光源の前方に置かれた試料からの興味深いデータは、以下のデータを提示する。
【０１１２】
３つの試料を配置直後にロイヤルブルーＬＥＤに置いた（図２１Ａに見られるＧ試料）。３つの試料を配置直後に暗所に置いた（図２１Ｂに見られるＧ’試料）。配置から１２日目に、暗所試料を暗所から取り出し、ロイヤルブルーＬＥＤの前方に置いた（図２１Ｃ）。
【０１１３】
Ｇ試料は露光および水素生成の最初の９日以内に有意なスペクトルの変化を示した。
【０１１４】
暗所のＧ’試料は赤方偏移を示したが、吸光度の減少は示さなかった。Ｇ’試料は９日間光に当たった後にスペクトルの完全性を維持した。
【０１１５】
これらのセットの水素生成の比較は興味深いものであるが、直ちに明所に置かれ水素を生成した試料は、露光／水素生成前に１２日間暗所に置かれた／インキュベーションされた試料より優れていた（図２２Ａおよび２２Ｂ）。
【０１１６】
注記：ロイヤルブルー１、２、３の試料では、着色した沈殿物が３日目に現れ始め、縁にリボン状に堆積した。しかし、暗所試料では、ロイヤルブルーＬＥＤに置かれたとき、着色した沈殿物は９日間のモニタリングを通して観察されなかった。
【０１１７】
結論として、暗所で１２日間インキュベーションされた試料では水素生成率の増加は観察されなかったが、暗所で時間を費やした試料は、スペクトルの完全性を維持したこと、およびしたがって、インキュベーションの可能性のある利益は、均質性を維持するための長期安定性の点で有効であることを示した。
【０１１８】
種々の試料セットからのさらなるデータは、休止状態または暗所で時間を費やすことは、試料の露光後の水素生産を妨げないという結論を指摘する。シアン色ＬＥＤ光（５１０ｎｍ）の前方に置かれたセットＲの試料に観察されたように、これは様々な波長のＬＥＤ光に当てはまる。試料を９日間シアン色ＬＥＤの前方に置き水素を生成させた。次に、試料を９日間暗所に置いた。試料をさらに６日間シアン色ＬＥＤに戻した。生産された水素の合計を図２３Ａに示す。水素生産と比較した露光日数を図２３Ｂに示す。興味深いことに、暗所で時間を費やすことは、明所に戻された後の試料セットの水素生産を低下させない。
【０１１９】
結論として、９日間光が途切れたこと（lapse）は全体的な水素生産に影響を及ぼさなかった。観察された測定された水素の全体的な低下は、セプタムでの漏れに起因する可能性が高いことに留意されたい。
【０１２０】
繰り返すと、シアン色光は、暗所で様々な長さの期間を費やすことが、ＬＥＤ光の前方に戻された後の水素生産を妨げないことを指摘する再現可能なデータを実証した。シアン色ＬＥＤの前方の試料に、配置直後に連続３日間光を当てた。次に、試料を３日間暗所に置き、４日間明所に戻してさらなる露光後に測定を行った。暗所期間後は測定を行わなかった。以下の合計量の水素が生産され、これを合計露光日数（図２４Ａ）または配置後日数（図２４Ｂ）に対してプロットした。
【０１２１】
結論として、１０日間の水素生成実験中の暗所での３日間は、水素を生成する触媒のライフサイクルを妨げない。
【０１２２】
最後に、詳述されたように、ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの濃度を増大させ、それにより触媒のＣｄＳｅ：ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏの比を１：３に設定することにより、水素生成の継続期間が延長される。比が変更された試料が暗所期間を経て光条件に戻ることを観察することは興味深い。試料を配置直後にシアン色ＬＥＤの前方に置いた。露光９日後、試料を１９日間暗所に置いた。試料を４日間ＬＥＤに戻し、次に３日間暗所に戻した。露光をさらに４日間行った後、実験を停止した。
【０１２３】
水素生産の有意な減少は観察されなかった。光と水素生成がない期間にかかわらず、率の定常的な低下／プラトーが観察された。図２５Ａおよび２５Ｂは、生産された水素の合計量を示す。図２５Ｃは、水素生産率を追跡する図である。比の変更の効果は、典型的に最初の２４時間で初期の高率が観察された後の率に見ることができる。実験試行中に暗所で費やされた時間は、試料が明所に戻された後の水素生産を妨げなかった。さらに、比の増大によって水素生産が定常化するという好影響が、定常状態の生産率で実証される。
【０１２４】
結論として、１９日間、３日間の暗所期間、または繰り返しの暗所期間は、水素生成中に生じる全体的な傾向／触媒のライフサイクルに影響を及ぼさない。
【０１２５】
（実施例８）
代替的プロトン源の調査
酢酸およびアスコルビン酸の添加を伴う実験で代替的プロトン源の調査を行った。高強度の青色ＬＥＤ光で照射された亜ジチオン酸ナトリウム、亜ジチオン酸ナトリウムとアスコルビン酸、亜ジチオン酸ナトリウムと酢酸の対比である。図２６のプロット図は、ＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ系（２μＭ）を示す。すべての試料が５ｍＭの亜ジチオン酸ナトリウム（ＤＴ）を有した。試料ＯｐｔＰのみにＤＴを投入した。試料ＯｐｔＱはＤＴおよび弱酸：ＡｓｃＡ＝５ｍＭのアスコルビン酸、ＡｃｅＡ＝５ｍＭの酢酸を有した。亜ジチオン酸ナトリウムの投入のみでは水素生産の顕著なバースト／持続しない率がもたらされる一方、亜ジチオン酸塩に追加してアスコルビン酸と酸の投入はいずれも、同様に作用して水素生産率を持続させたことに留意されたい。
【０１２６】
試料を配置し、より低強度の青色光の前方に置いて酢酸のさらなる使用について調査した。触媒の投入はすべて１：１の比のＣｄＳｅ：ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏである。すべての試料を、合計約８０，０００ｌｕｘの青色ＬＥＤ（約４６０ｎｍ）に曝露する。試料ＯｐｔＺ−ＤＴには０．５ｍＭの亜ジチオン酸ナトリウムのみを投入する。試料ＯｐｔＺ−ＤＴ＆ＡｃｅＡには０．５ｍＭの亜ジチオン酸ナトリウムおよび０．５ｍＭの酢酸を投入する。図２７は、抑えた光条件およびより低い亜ジチオン酸塩投入量では、試料は酢酸が存在する場合としない場合とで同様に作用し、持続した水素生成率を確立することができることを示す。
【０１２７】
（実施例９）
タンパク質成分の存在によって増強される水素生成実験の安定性。
実施形態では、系の安定性が酵素成分の存在によって増強されることが各試料セットにおいて実証された。各試料セットにおける、水素生成試料と同じ濃度のＣｄＳｅナノ粒子（２μＭ）を含む対照および亜ジチオン酸ナトリウム（２ｍＭ）が添加された対照は、最初の２４時間以内に沈殿した。酵素成分はＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ系を安定化させ、水素生産に関して系の動作可能性を保持した。実施形態では、ＮａｆＹのみが添加された対照は水素を生産せず、ＣｄＳｅのみを含む対照試料より遅いペースで沈殿した。ナノ粒子の表面は、触媒を水素生産に関してロバストにするために重要であるように思われる。実施形態では、条件に応じて３０＋、７５＋日間にわたって均質な水素生成のために３つの成分すべてが必要である。
【０１２８】
（実施例１０）
さらなる最適化
水素生産率をさらに増加させ、水素生成プロセスの継続期間を延長させるための最適化戦略には、以下のうちの１つまたは複数が含まれる：
Ａ．ロイヤルブルー光は、４４．１．０ｋｇの水素／触媒ｍｏｌ／日の生産率をもたらした。高強度にダイヤル調節された低エネルギー／高波長のＬＥＤが同等またはより高い率をもたらすかどうかを決定するための試み。実施形態では、耐久性を改善するために、触媒の完全性を保持し、試料の光分解を回避する。
【０１２９】
Ｂ．代替的プロトン源の決定。酢酸およびアスコルビン酸が試料に導入された。クエン酸などの他の弱酸が導入可能である。これらの供給源は、同じまたはより高い水素生成能を発揮する可能性がある。
【０１３０】
Ｃ．ＴＥＭ、ＩＣＰ−ＭＳおよびＦＴＩＲによる試料の分析。ＮＭＲおよびＥＰＲは、ナノ粒子の表面の最も良好な特徴付けを試みるための他の分光技術である。これを試料の継続期間中に実施し、触媒の変化を観察および試験することができる。
【０１３１】
Ｄ．最適条件が分析および実証されると、継続期間の試験を設定することができる。試料の継続期間の上限をさらに調査することができる。
【０１３２】
Ｅ．ＦｅＭｏ−ｃｏを抽出する代替的方法も使用可能である。塩Ｂｕ４ＮＢｒを除去するために脱塩カラムを発注してもよい。ＦｅＭｏ−ｃｏを、ＤＭＦ、ジメチルホルムアミドに抽出する。水素試料をこの形態のＦｅＭｏ−ｃｏを用いて配置してもよい。試料は、ＮＭＦ抽出されたＦｅＭｏ−ｃｏの同じまたはより良好なレベルで生産を行うことがある。これは商業化に関してプロセスをスケールアップする上で主要なステップとなる可能性がある（１６）。
【０１３３】
Ｆ．成分の濃度を増大させる。Ｈ２生成実験は、増大したＣｄＳｅ−ＮａｆＹ−ＦｅＭｏ−ｃｏ触媒の濃度、例えば、４μＭ、８μＭ、１２μＭ、１６μＭ、２０μＭ、３０μＭ、４０μＭ、５０μＭまたはそれよりも高い濃度で行うことができる。
【０１３４】
Ｇ．試料系のｐＨの変化。ＭＯＰＳおよびＰＢＳなどの様々な緩衝系が使用されてもよい。ｐＨの変化に伴い溶解度が変動する場合がある。ＣｄＳｅナノ粒子のキャッピング剤はメルカプトコハク酸（ＭＳＡ）である。ＭＳＡのチオール基のｐＫａは１０．６４である（１７）。ｐＨが極度に酸性になると、十分なチオール基がナノ粒子の表面から解離し、水性溶媒にもはや可溶性でなくなるため、ナノ粒子が沈殿する。
【０１３５】
Ｈ．実施形態では、１６〜３２℃の範囲の種々の温度が使用されてもよい。実施形態では、試料を撹拌することによって水素生産が改善する場合がある。
【０１３６】
本開示の種々の態様は、単独で、組合せで、または前述に記載された実施形態では具体的に考察されていない多様な構成で使用されてもよく、したがってその適用は、前述の記述に記載された、または図面で例示された詳細および構成要素の構成に限定されない。例えば、一実施形態で記載された態様は、他の実施形態で記載された態様と任意の様式で組み合わせることができる。
【０１３７】
本明細書で使用される表現および用語は説明のためのものであり、限定的であるとみなされるべきではない。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有する」、「含有する」、「伴う」およびそれらの変形の使用は、その前に列挙された項目およびそれらの均等物ならびに追加的な項目を包含することを意図する。
【０１３８】
本開示の特定の実施形態を考察したが、上記の明細書は例示的であり、制限的ではない。本明細書を精査することで、当業者には本開示の多数の変形が明らかになる。本発明の全範囲は、特許請求の範囲、ならびに均等物の全範囲および本明細書、ならびにそのような変形を参照することによって決定されるべきである。
【０１３９】
参照による組込み
上記で引用されたすべての刊行物、特許および特許出願は、各個々の刊行物または特許出願が参照によりそのように組み込まれることが具体的に示されているのと同じ程度に、それらの全体があらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。
参考文献：
【数１−１】
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【数１−２】
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【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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