人工光合成

人工光合成（じんこう こうごうせい、）は、光合成を人為的に行う技術。
自然界での光合成は、水・二酸化炭素と、太陽光などの光エネルギーから化学エネルギーとして炭水化物などを合成するものであるが、広義の人工光合成には太陽電池を含むことがある。
自然界での光合成を完全に模倣することは実現していないが、部分的には技術が確立しており、単純なエネルギー変換効率では植物を上回っている。
意義・実用化過程.
エネルギー資源の化石燃料からの置き換え、また炭酸固定により、地球温暖化の原因と考えられている二酸化炭素の排出量抑制が期待される。従来の太陽電池では電力貯蔵の問題が生じるが、人工光合成では化学エネルギーを生成することにより、エネルギー貯蔵が容易になる。
人工光合成の研究の方向性として大きく2つあり、一つは、光エネルギーを使って｢水を分解して水素を作る研究｣で、もう一つは｢CO2を『還元』して有機化合物を合成する研究｣である。
太陽光エネルギーの何％を水素エネルギーに変えられるかという「エネルギー変換効率」は自然界の植物では0.3%であるが、コスト面の問題で商用的に実用化するには最低でも10％のエネルギー変換効率が必要とされる。2021年に変換効率10%台に達したとする報告があり、現在は耐久性の向上や低コスト化が進められている。
技術.
光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換する光化学反応（明反応）と、化学エネルギーから糖を合成するカルビン回路（暗反応）に大別できる。太陽光を集光する「光捕集系」ではクロロゾームの人工的利用が研究されている。「反応中心」では酸化還元因子を組み込んだ合成ペプチドを利用した研究 や、自然界でのバクテリオクロロフィルに代え、亜鉛クロリンやフリーベースポルフィリンを用いた研究が行われている。Acr+-Mesを光触媒とし、白金クラスタを用いることによりNADHを電子源とし効率よく水素が発生することが発見された。水素はCO2固定触媒でギ酸として貯蔵することが考えられている。必要に応じてギ酸分解触媒により水素を取り出すことが可能である。二酸化炭素の固定に関しては、合理的な遺伝子操作を施したCO2固定酵素RuBisCOの利用が考えられる。
ランタンを1%ほどドープし、表面に酸化ニッケルを塗布したタンタル酸ナトリウムに波長300nm以下の紫外光を当てると水が分解され、酸素と水素を生じる。この反応は量子収率50%を越え、2005年日本国際博覧会にも出展されたが、紫外光しか使えないため実用化には至っていない。
ロジウムをドープしたチタン酸ストロンチウムは、可視光線を照射することにより水を還元し水素を発生する光触媒であることが発見され、同様に可視光で酸素を発生するバナジン酸ビスマスと組み合わせることにより、水の分解に成功している。この反応は電子の流れから「Zスキーム」と呼ばれるが、量子収率は約3%、太陽光エネルギーの変換効率は0.1%ほどである。
純粋な水の分解ではないが、硫黄系還元剤を含む水溶液に、金属の硫化物を触媒として可視光線を照射すると水素を生じる反応も発見されている。
歴史と実用化に向けた研究.
太陽電池の研究は19世紀から始まり、1839年にフランスの物理学者アレクサンドル・エドモン・ベクレルが光起電力効果を発見。1884年にはアメリカの科学者チャールズ・フリッツが世界初の太陽電池を製作した。一方、光合成の研究は1910年頃から行われ、1956年にルドルフ・マーカスにより電子移動反応理論が発表された。1972年には東京大学の本多健一と藤嶋昭により、酸化チタン電極を用いて、紫外線を照射することにより水を水素と酸素に分解する本多-藤嶋効果が発表された。1974年から2000年にかけては、日本の新エネルギー研究プロジェクトであるサンシャイン計画、ニューサンシャイン計画が実行された。2011年には、根岸英一らと文部科学省とが人工光合成などの技術革新の具体化を進めることで合意した。
人工光合成に関連する研究の主体と内容を以下に記す。
長所と短所および効率性.
メリット：
デメリット：
触媒計画において扱われるひとつの重要なことは、効率性である、とりわけ実際に光の照射をどれだけシステムで活用できるかである。これは、化学的エネルギーへの光の変換が測定される、光合成の効率で比較しうる。光合成組織はおおよそ50％の太陽放射の投射を集めることができる、しかしながら変換能力の理論的な限界は、C3ならびにC4植物では順に4.6と6.0％である。実際には、光合成の効率は、熱帯気候のサトウキビのようないくつかの例を除いて、とても低く通常は1％以下である。対照的に、人工光合成の研究室の試作品についての報告された最大の効率は22.4％である。