日経新聞 ２０１２．１．８
植物の光合成をまねて太陽光をエネルギー源に水素や化学原料を製造する研究開発が本格化してきた。光触媒などを使って水を分解し、温暖化ガスの二酸化炭素（ＣＯ2）を化学原料に変えて貯蔵する。自動車燃料や医薬品原料に使う。化石燃料に依存しない社会に不可欠な本命技術と期待され、「10～20年後には実用化のメドを」との声が高まっている。
■一石二鳥の技術
「メカニズムを探る研究を30年続けてきたが、今はもっと効率を上げてくれとせっつかれるばかり」。東京大学の堂免一成教授は東日本大震災以降、この分野に大きな期待が寄せられている状況をこう表現する。
太陽光で水素や化学原料を製造する方法は「ソーラー・フューエル」と呼ばれる。海外の砂漠などで太陽光発電しても、電気は遠くへ送るほど減 衰して使えなくなる。ガスや液体に変えれば、運んで必要なときにエネルギーや原料として利用できる。資源確保と温暖化ガス対策になる、一石二鳥の技術だ。
目標は大きく二つある。一つは水素製造。もう一つはメタンやアルコールなども合成する方法だ。
水素製造では、光触媒に光を当てて水を分解する。光合成の前半部分の「明反応」に相当する。発端となった光触媒反応は日本で見つかり、以 来、研究水準は世界でトップクラスだ。光触媒は当初、紫外線を当てないと働かなかったが、2000年以降、可視光に反応するタイプが相次いで登場し、研究 に弾みがついた。
■人工光合成の再現も成功
化学原料の合成は、光合成の後半部分の「暗反応」に当たる。植物はブドウ糖を作っているが、この反応を人工的に再現するのは至難のわざ。実験室では「金属錯体」という特殊な化合物に光を当て、ＣＯ2を一酸化炭素やメタン、ギ酸などに変える方法が研究されている。
トヨタ自動車グループの研究子会社、豊田中央研究所（愛知県長久手市）は11年、明反応と暗反応を組み合わせた人工光合成の再現実験に世界 で初めて成功した。これまでも再現の試みはあったが、反応を促す有機物や電気を加えていた。同社は、可視光に反応する光触媒と、半導体表面に金属錯体を重 ねた新しい光触媒を反応容器内に収め、水とＣＯ2と太陽光だけでギ酸を合成した。
■エネルギー変換効率の向上が鍵
光エネルギーの変換効率は0.04％と、バイオ燃料用に栽培するスイッチグラスの５分の１とまだ低い。豊田中研の梶野勉主席研究員は「これから変換効率の向上を目指した研究が活発になるのでは」と展望する。その解決には反応効率の高い光触媒の開発が不可欠だ。
水素製造向け光触媒で最も高い変換効率は、堂免教授らが10年に発表した0.2％。実用的なプラントには約10％の効率が必要とされる。堂 免教授は「効率を今の10倍の２％にすれば、産業界の機運が盛り上がる。到達できる」と話す。時期は明示していないが、直近の５年間で効率は数倍高まっ た。「５～10年内にも」との期待は膨らむ。
発生する水素と酸素を分ける安全対策も求められている。分離膜を使う方法や、水素の発生場所を別々にする方法などが提案されており、コストと性能を比べながら優れた手法が採用されるだろう。
化学原料を合成する反応の実現はもっとハードルが高い。目標とする原料は色々あるが、安定なＣＯ2から酸素を１個取れば、有用な一酸化炭素になる。そのための有力な触媒候補は、希少金属のレニウムを含む金属錯体だ。この触媒に詳しい東京工業大学の石谷治教授は「反応の仕組みがようやくつかめた段階」と解説する。実用時には鉄やコバルトなど安価な金属を含む錯体が望ましいが、開発はまだ模索の状況だ。
■日本を追い上げる米中韓
海外では日本を追い上げる動きが活発だ。米エネルギー省は10年から５年間に１億2200万ドルを投じる大型事業に着手した。中国はこの分野の研究拠点を11大学に設け、韓国も09年から西江大学を中心に政府の研究事業を始めた。
日本は経済産業省が12年度から革新的な触媒開発を目指す研究に着手する。光合成たんぱく質の解明で岡山大学や大阪市立大学の研究者が注目成果をあげた伝統と、再生エネルギーへの追い風を生かし、総力を結集できる体制を組もうと準備を進めている。（編集委員 永田好生）
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