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 豊田中央研究所は2021年4月21日、太陽光と二酸化炭素(CO2)、および水(H2O)からギ酸*1の塩を合成する人工光合成技術で、太陽光からギ酸へのエネルギー変換効率7.2%を実現したと発表した。この成果は学術雑誌「Joule」にも掲載された1)

*1 ギ酸(HCOOH)
メタノールを酸化すると、ホルムアルデヒドを経由して得られる化学物質(英語ではformic acid、塩はformate)。蟻(アリ)の毒腺の成分でもあるため、この名がある。国内では家畜用飼料の防腐剤、皮なめし用材料、医療食品向けなどに年間約70万tが使われている。

 豊田中央研究所は10年以上前からCO2の再資源化技術として、人工光合成技術の研究を続けてきた。11年に発表した当時の変換効率は0.04%。15年にはほとんどの植物を上回る4.6%にまで高めた。ただし、セル(電極)は1cm角と小さかった。

 今回の7.2%は「世界最高水準」(豊田中央研究所)と高く、しかもセルの寸法を36×36cmと大幅にスケールアップした装置を用いている(図1)。既に次のステップとして同1×1mという大型装置の開発を進めていることも明らかにした。

図1 豊田中央研究所が開発した電極寸法が36×36cmの人工光合成装置
図1 豊田中央研究所が開発した電極寸法が36×36cmの人工光合成装置
手前にあるのが、太陽電池モジュール。装置内部に5組の酸化電極と還元電極が入っている。電極の寸法を36×36cmと、従来の1cm角から大幅にスケールアップした。(出所:日経ものづくり)
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3つの装置に分けて光合成

 これまで人工光合成といえば、光触媒に光を照射して水を分解すると同時に電子を励起し、その電子でCO2を還元してギ酸などを合成する例が多かった。今回の開発技術は、そのプロセスを3つの装置に分けて実現する(図2)。

図2 人工光合成装置の動作原理
図2 人工光合成装置の動作原理
まず太陽電池モジュールで光を電子に変換し、その電力を使って酸化電極で水を水素イオン(H+)と酸素(O2)に分解。最後に還元電極では、溶液中のCO2とH+、電子でギ酸を合成する。(出所:豊田中央研究所)
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 具体的には、[1]光を電子に変換する太陽電池モジュール、[2]太陽電池の出力電力を用いてH2Oを酸化(電気分解)し、水素イオン(H、プロトン)を取り出す酸化電極、[3]太陽電池で得た電子と酸化電極で得たプロトン、CO2からギ酸を合成する暗反応用還元電極、の3つである。

 プロセスを[1]~[3]に分けた理由の1つは、光を電子に変換する機能では太陽電池が圧倒的に優れているため。加えて、光触媒に直接光を照射するやり方では、全ての面に光を照射するために大面積かつ透明な電極が必要になるという課題もあった。

 今回、[2]と[3]の電極における反応は光を必要としないため、太陽電池モジュールの裏に電極を多層で重ねることが可能になった(図3)。具体的には、酸化電極と還元電極の組を5つ並列に接続して配置した。

図3 開発した装置(36cm角)の概要
図3 開発した装置(36cm角)の概要
酸化電極(赤色)と還元電極(水色)の組を5つ、太陽電池モジュールと接続してある。(図の出所:豊田中央研究所、写真の出所:日経ものづくり)
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 光から電子への変換に太陽電池を採用すると、その電子生成と触媒での反応速度のアンバランス(反応速度の方が遅い)が課題となるが、これも電極の並列接続で解消できた。「太陽電池の変換効率は15%で、その発電エネルギーの約1/2をギ酸という形で貯めこめるようになった」(豊田中央研究所)という。