Transcript 人工光合成
新エネルギー獲得へのアプローチ 人工光合成へのアプローチと 解決すべき課題 電力生成 太陽電池：Si, 化合物半導体、 b)光合成を真似て超えるアプローチ(２) 色素増感、有機薄膜 など 人工光合成：燃料生成 植物の利用：機能の抽出、バイオマス 金属錯体による人工光合成 半導体光触媒： ホンダーフジシマ効果 世界を 主導する 日本（４） ホンダー フジシマ効果 紫外光 e- e- H2 課題： 可視光、赤外光を如何にし 工業化学雑誌, 72, 108(1969). て有効に利用できるか？ e- 伝導帯 H2 O 価電子帯 h+ 1/2O2 Bull. Chem. Soc. Jpn., 44, 1148(1971). Nature, 238, 37(1972). 2 H+ 堂免、前田 工藤 阿部、佐山 等 世界を 主導する 日本（５） 可視光による水の光分解 三澤：赤外光 いくつかの（オキシ）ナイトライド材料のUV-visスペクトル 太陽光の放射 スペクトル Ta3N5 LaTiO2N BaTaO2N GaN:ZnO 300 400 500 600 700 800 Wave Length (nm) Wavelength/nm 堂免研究室（東大） Chemical System Engineering The University of Tokyo Rh-Cr oxide/GaN:ZnOを用いた水の可視光分解 Amount of evolved gases / mmol Evac. λ > 400 nm ▼ 2.0 Catalyst: 0.3 g Cocat.: Rh 1 wt%, Cr 1.5 wt% Reactant soln.: 370 mL (pH 4.5) Inner irradiation type cell with a 2 M NaNO2 aq. filter 450 W Hg lamp 量子収率 = ~H 5.2 % ( at 410 nm) 2 1.5 1.0 O2 450 W high pressure Hg lamp 0.5 0 0 5 10 15 20 25 Reaction time / h 30 N2 Water cooling 35 NaNO2 aq. Magnetic stirrer Chemical System Engineering The University of Tokyo 粉末光触媒を用いた可視光照射下での水の完全分解反応 （東京理科大学 工藤研究室） 減圧下 Ru助触媒 可視光 可視光 eeBiVO4 H2O Fe2+ Fe3+ H2 H+ SrTiO3:Rh h+ h+ Fe3+/Fe2+ Co錯体 水素生成光触媒 O2 （Ru/SrTiO3:Rh） 酸素生成光触媒 （BiVO4） 可視光線 (λ>420nm) 光源：300W Xeランプ+カットオフフィルター 塩化鉄水溶液に水素生成光触媒 粉末と酸素生成光触媒粉末を入れ て，可視光を照射すると，水が分解 して水素と酸素の泡が発生する。 人工光合成 光照射 I 電子 電子 電子供与体 光照射 II 増感剤 I 電子 電子受容体 増感剤 II 電子 電子受容体 （酸化末端） （還元末端） H2O CO2 水電子源 二酸化炭素の還元 次世代のエネルギー資源として、化石資源が尽きる恐れが具体化すると予想される数１０年 後に備えて、太陽光エネルギーを直接電力に変える太陽光発電と太陽光エネルギーを用いて ＣＯ２と水を原料とし水素の生成やＣＯ２の化学固定など化学エルギーに変換する人工光合成 ・有用物質の生産が期待されている。 Amounts of products / µmol t c Ag(2wt%) /BaLa4Ti4O15光触媒を用いたCO2還元反応 u （東京理科大学 工藤研究室） d 水+二酸化炭素→合成ガス→有機化合物 水 +o光触媒粉末 + 光（ここでは紫外線）のみ 200 r200 100nm 水を還元剤としたCO2の lp CO 固定化反応に成功 o m e-/h+=1.0 f150 150 o O2 s 100 t100 n u o 50 50 m A H2 世界を 主導する 00 Kosuke Iizuka, Tomoaki Wato, Yugo Miseki, Kenji Saito, 0 2 4 6 8 10 12 日本（６） and Akihiko Kudo J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (51), 20863–20868 人工光合成系の実現 （太陽光、二段階励起でのH2O酸化とCO2還元の共役） Two photocatalysts with no electrical bias Potential (V vs NHE) CO2 + H2O e- -1.15V under Simulated Sun-light e1.35 eV -0.2V H2O eCO2 reduction InP/[MCp] +3V eO2 太陽光変換効率：0.03～0.04% CO2 h+ 3.2 eV Water oxidation HCOOH + 1/2O2 HCOO[MCp] +0.2V 世界を 主導する 日本（７） h+ TiO2 豊田中研 Shunsuke Sato, Takeo Arai, Takeshi Morikawa, Keiko Uemura, Tomiko M. Suzuki, Hiromitsu Tanaka, and Tsutomu Kajino , J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, S. Sato and T. Arai et al. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15240. 15240–15243. 太陽エネルギーを将来の主要な 一次エネルギー源と考えるならば・・・ ・超大面積に展開可能な技術 例えば2050年に人類の消費エネルギーの 1/3を太陽エネルギーで賄うとした場合、 １つの水素製造プラントを=10%, 5 km x 5 km = 25 km2のスケールと想定すると 約１０,００0個つくる必要がある。 ・輸送・貯蔵可能なエネルギー形態 水素 水素・メタノール・炭化水素・アンモニア等 の化学物質 堂免（東大工） 水素＋化学エネルギー製造プラント予想図（25km2) 1日7.6時間AM1.5G標準太陽光照射 太陽エネルギー 27 TJ/km2 day 酸素 空気 または CO2 合成プラント 25 km2 (5 km x 5 km) ソーラー水素プラント 水素 570トン/日 アンモニア 100万トン/年 または メタノール 50万トン/年 反応ガス エネルギー変換効率10% 水 5100トン/日 堂免（東大工） 太陽エネルギーを用いる水分解法 H2O h H2 + 1 ― O2 2 DG0 = 238 kJmol-1 ▪ 太陽熱発電（CSP） + 電気分解 ▪ 太陽光発電(PV) + 電気分解 ▪ 光電気化学電池 ▪ 太陽熱化学分解 ▪ 人工光合成； 光触媒 重要な視点（１） 無機固体材料（半導体） 金属錯体 有機分子・高分子材料 生体分子（酵素） まだ決め打ちはできない！ Chemical System Engineering The University of Tokyo 重要な視点（２） Solar Fuel 生成物として何を目指すか？ 大気環境科学によるアセスメントの視点 水素、ＣＯ、蟻酸（ＨＣＯＯＨ） （２電子還元生成物） ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ） （４電子還元生成） メタノール（ＣＨ３ＯＨ） （６電子還元生成物） メタン（ＣＨ４） （８電子還元生成物） 13 Ｃ２化合物～Ｃｎ化合物 重要な視点（３） 企業戦略の視点 パイ（市場）は巨大！ 課題の共有が可能 完成技術から将来技術へ 連携が必要不可欠 政策誘導 14 重要な視点（４） 戦争を避ける国際社会状況 を形成する為に 限られたエネルギー資源(化石資源)を奪い合うのではなく 無限に近い太陽光エネルギーの利用と固定化法を人類の 叡智として互いに共有できる国際社会状況をつくる。 いつまでに どのように 社会 が方策を選択するか 15 人工光合成を基盤とするエネルギーシステム 2040 インフラ整備の開始 社会による選択 2030 技術展開 事例１ 事例２・・・事例ｎ 2020 議論と選択の土俵 展開研究 事例１ 事例２・・・・ 事例ｎ 目的基礎研究 発見１ 発見２・・・ 発見ｎ 基礎科学 発見１ 発見２・・・・ 発見ｎ 重要な視点（５） フォーラムへの期待：スタンス 連携 バトンリレー：人材育成 しのぎを削る のではなく 切磋琢磨 による連携 将来のイメージを社会に提案 技 術 課 題 経 事 世 国 社 社 そ 済 業 界 の 会 会 の 性 主 の 政 の の 他 高い志による登頂 体 潮 策 理 選 流 解 択 死の砂漠 実用化のオアシス PRESTO Project on Artificial Photosynthesis (20092017) JST Preliminary Research on Embryonic Science and Technology Sakigake (Japanese) 人工光合成フォーラム リーディングサイエンティスト 若手研究者 科学技術政策決定者 企業 市民 石油エネルギー 死の谷 太陽光エネルギー 人工光合成：新エネルギー 人類の夢 必ず実現しなければならない 課題 Thanks to Klaus Lips, Prof. Thomas Moore 地球をどうしますか？ The translation of the German phrase on the Cartoon is: "this is how we live, this is how we live, forever..."