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日本が人工光合成技術の牽引役であり続けるためには

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2015.10.22

政策・経済研究センター清水紹寛

経済・社会・研究開発
 日本は、人工光合成の研究開発で世界をリードしてきた歴史がある。最初に挙げられるのは、本多-藤嶋効果の発見である。水中に置いた二酸化チタン(TiO2)電極と白金電極(Pt)に光をあてると水が分解され、TiO2から酸素、Pt から水素が発生するとともに、両電極間に電流が流れる現象だ。1972年、ネイチャー誌に掲載されて注目を集めた。植物の光合成とは異なるが、 光エネルギーを化学エネルギーとして固定化するということでは、世界初の人工光合成ということができよう。人工光合成の研究開発では、マイルストーン的な位置づけにある。

 CO2フリーで水から水素を製造するということも、現在、国が進めるエネルギー政策に合致している。昨年策定されたエネルギー基本計画では、「”水素社会”の実現に向けた取組の加速」が取り上げられているが、トヨタが水素で走る燃料電池車を市場投入して水素社会への取り組みが勢いづいた。人工光合成による水素製造は、ありふれた素材である水を原料に、太陽光という地球環境に優しいエネルギーを用いて、水素という貯蔵可能な二次エネルギーを作ることができる、資源の乏しい日本にとってはまさに夢の技術といえるだろう。

 水素製造と光合成の関係を整理しておこう。そもそも植物が行っている光合成は、水を酸化し二酸化炭素を還元して糖を作るプロセスである。副産物として酸素が発生する。これには光エネルギーを使って水を酸化する「明反応」と、二酸化炭素を還元して糖を作る「暗反応」の2つのプロセスがある。「明反応」の部分を使って、水から水素を人工的に作るのが、前述の本田-藤嶋効果である。

 残された「水素と二酸化炭素から糖を作るプロセス」は既存の化学工業でもできる。人工光合成技術として、特に重点的に研究開発が進められているのが、水から水素を製造するプロセスである。その際の太陽エネルギーの変換効率の高さが求められている。

 さて、話を元に戻して、人工光合成の研究開発における日本のポジションはどの程度だろうか。「太陽エネルギー変換効率」競争が世界的に激化し、年を追うごとに効率は向上しているが、光触媒を用いた技術で日本は最先端を走っている。

 今年に入ってからも、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と人工光合成化学プロセス技術研究組合(ARPChem)が、世界最高レベルとなる太陽エネルギー変換効率2%を達成している。

 太陽エネルギーを活用して水から水素を製造する方法には、光触媒による方法のほかに太陽電池で水を電気分解する方法もあるが、両者の間で技術的交流が欠けているとの指摘がある。さらに、あらためて人工光合成の原点を振り返ると、「暗反応」部分まで含めて水から有機物を作る研究開発やバイオマスも忘れてはならない。今後も日本が人工光合成技術の牽引役であり続けるためには、競合技術・周辺技術も取り込みながら包括的に発展させることが重要である。
図 ARPChemの人工光合成プロジェクトの開発目標
図 ARPChemの人工光合成プロジェクトの開発目標
出所:ARPChem資料より