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工藤昭彦 氏
工藤昭彦 氏
東京理科大学理学部第一部応用化学科 教授
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二酸化炭素(CO2)削減の手段として、太陽光を使って水から水素を取り出す「人工光合成」に注目が集まっている。今回は、「日経クロステック ラーニング」で「人工光合成技術の最前線と光触媒技術の課題」の講師を務める東京理科大学理学部第一部応用化学科教授の工藤昭彦氏に、人工光合成の役割や今後の可能性について聞いた。(聞き手は高市清治、小林由美=ライター)

人工光合成が、カーボンニュートラル(温暖化ガス排出量の実質ゼロ)の観点で注目されている理由を教えてください。

工藤氏:人工光合成によって二酸化炭素(CO2)を減らしながら、クリーンエネルギーの1つである水素を、再生可能エネルギー(再エネ)を使って水から製造できるからです。このようにして得られた水素を「グリーン水素」と呼びます。

 人工光合成とは一言で言うと、太陽エネルギーを活用してCO2と水を原材料に化学品を合成する技術です。水素は人工光合成で製造できる化学品の代表と言えます。水素は燃焼時などに温暖化ガスを排出しません。そのため、太陽光発電や風力発電、バイオマスなどと同様にカーボンニュートラルの重要な切り札である再エネ利用技術の1つとして注目されているのです。

 特に期待されているのは、石油や石炭、天然ガスといった「化石燃料」の代替物としてです。化石燃料は燃焼時に、大量のCO2を大気中に排出します。この化石燃料を大量に消費するのが火力発電所です。

 現在、ほとんどの火力発電所は、化石燃料を燃焼させた熱で蒸気を発生させ、その蒸気でタービンを回転させて発電しています。火力発電所で水素を燃料として用いるようにできれば、化石燃料を燃焼させる必要がなくなり、地球温暖化の原因となるCO2の排出を防げます。

 この他、水素と酸素を化学反応させて発電する「燃料電池」にも期待が集まっています。燃料電池をエネルギー源とする燃料電池車(FCV)が普及すれば、電気自動車(EV)と同様に走行時にCO2を排出しないので、カーボンニュートラルにつながります。

 太陽光発電も、人工光合成と同様に太陽光を使ってエネルギーを取り出す技術です。しかし、太陽光発電システムで発電したエネルギー(電気)は主に電池でしか貯蔵できません。これに対して人工光合成であれば、取り出したエネルギーを水素として貯蔵できるメリットがあります。

 発電所の燃料や燃料電池の他にも、水素は世の中のさまざまな化学製品の原料となっています。例えば、窒素肥料の原料の大部分を占めるアンモニアは、窒素と水素を高圧下で触媒を用いて反応させて製造します。

 この他、調味料などの食品、プラスチックなどの化成品、医薬品の原料などにも幅広く用いられています。水素は燃料になるだけでなく、人間社会になくてはならない物質なのです。

 ただし、水素にはその製造方法に大きなネックがあります。製造にCO2排出を伴う点です。現時点では通常、化石燃料を消費する「化石燃料の改質」などで、結局は化石燃料を使うためCO2の排出が避けられません。

 しかし、人工光合成なら化石燃料を用いる必要はなくなります。また、人工光合成は化学品合成の炭素源としてCO2を使えます。CO2を有効活用して、グリーン水素を製造できる。一石二鳥の手法なのです。これは、植物の光合成と同じ意味を持ちます。

 人工光合成には、光電極や光触媒を用いるなどさまざまな仕組みがあります。私たちが研究しているのは、粉末の光触媒を用いた人工光合成です。この光触媒は、太陽光を当てれば水を水素と酸素に分解できるのです。