人工光合成
メリット:
太陽エネルギーは直接に変換されそして蓄積される。太陽光発電のセルでは、太陽光は電気へと変換される、そしてそのとき、二次的変換に結びついたなんらかの必要なエネルギーの損失をもって、保存のための科学的エネルギーに再度変換される。
これらの反応の副産物は環境に優しい。人工的に合成された燃料は、輸送や家庭のために使える、カーボンニュートラルなエネルギー源になるだろう。
再生可能エネルギー発電の利用には、既存の自動車のEVへの置換、スマートグリッドや充電ステーションのような新たな送給電インフラ整備の莫大なコストがかかる。これに対し、人工光合成産物は従来の化石燃料を用いるシステムをほぼそのまま継続利用できる。またエネルギーだけでなく工業原料にも利用できる。
デメリット:
炭素などの原子を介して反応させるため理論効率が電子のみ移動する太陽光発電より低い。これは将来的にも効率で太陽光発電に勝てない事を意味する。
人工光合成に使う水の管理が必要になる。藻の発生などは死活問題となる。
太陽光発電の広い普及には設置場所の制約が少なかった事が理由にある。しかし人工光合成には水の管理、触媒の管理、そして作られた有機物水溶液を輸送する必要が有る。これらを考慮すると太陽光発電に対して維持管理コストで勝つ事がかなり難しくなる。
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。
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。
2011年4月、大阪市立大学の神谷信夫らの研究チームは植物での光合成の基となるタンパク質複合体の構造を解明。同じ構造を持つ触媒により、2020年までに二酸化炭素と水からメタノール燃料の製造を行う構想を打ち出している。
2011年9月は豊田中央研究所が世界で初めて、水と二酸化炭素と太陽光のみを用いた人工光合成に成功した。特殊な光触媒を用いることで、犠牲薬を添加することなく擬似太陽光での有機物の生成を可能にした。変換効率0.