夢幻般的人工光合作用——利用陽光合成化學原料

morris_2007

【日經能源環境網】人工光合作用能夠借助太陽能，利用水和二氧化碳來製造燃料和化學原料。由於這種方式無需依賴化石燃料，而且有助於減少二氧化碳，因而成為了關注的焦點。儘管技術難度很大，但世界各國都在全力以赴實現實用化。  


植物的光合作用是利用光能，將水和空氣中的二氧化碳轉化成碳水化合物。與之相同，人工光合作用是借助陽光，用水和二氧化碳製造燃料和化學原料的技術。

因為使用的是陽光這一自然能源，生成燃料和化學原料的過程中不排放二氧化碳。而且，因為使用二氧化碳作為原料，所以還有消減二氧化碳的效果。

具有上述特點的人工光合作用如今受到全世界的關注。美國能源部為實現該技術的實用化，已經啟動了大規模的研究項目，從2010年開始，在5年內將投資1.22億美元。歐洲和南韓也在進行人工光合作用的研發。

在日本，經濟產業省將從2012年7月開始，啟動一項由企業研究所和大學等約10個團體參加的，名為「二氧化碳原料化基礎化學品製造工藝技術開發」的新計劃，目標是用10年的時間實現人工光合作用的實用化。第一年，即2012年度的預算為14.5億日元。

利用陽光從水中分離氫氣
植物的光合作用包括兩個階段，第一個是借助陽光分解水的光反應階段，第二個是利用光反應產生的成分與二氧化碳生成碳水化合物的暗反應階段。

人工光合作用除了這兩個階段以外還有一個中間階段，共有三大階段：一是利用陽光把水分解成氫氣和氧氣，二是從產生的氣體中單獨分離出氫氣，三是利用氫氣和二氧化碳製造化學原料。

前兩個階段的目的在於製備氫氣。利用光能從水中分離出氫氣使用的是吸收光後可發揮觸媒轉換器作用的光觸媒轉換器。這種物質歷史悠久，1972年，時任東京大學教授本多健一（現東京理科大學校長）與研究生藤島昭發現了這種光觸媒轉換器。但當時的光觸媒轉換器只能在利用紫外線的情況下才能分解水，能夠利用可見光有效分解水的物質並未發現。

太陽光中，波長在400nm（1nm為10億分之一m）以下的紫外線含量非常少。另一方面，太陽光中大部分光線處於波長在400nm～800nm的可見光區域。因此，要想從水中盡可能多地分離出氫氣，也就是提高能量轉換效率，最理想的是利用可見光。

在這種情況下，2010年11月，東京大學與三菱化學控股公司開發出了在水中加入特殊化合物，通過照射利用可見光獲得氫氣的技術。東大工學系研究科化學系統工學專業的堂免一成教授等人與三菱化學集團三菱化學科學技術研究中心合作開發出的是結合了氧化鎢和氮氧化鉭這兩種光觸媒轉換器的化合物。之後，隨著研究繼續深入，結合了鑭和鈦的化合物也開發成功。堂免教授表示：「這樣一來，不僅水的分解效率高，材料成本也比較低廉，給實用化研究注入了活力。」

從水中分解出氫氣這一過程中的能量轉換效率目前為0.2％。雖然距離實用化的目標10％還十分遙遠，但堂免教授預測說，「依靠現有材料能夠把效率提高到5％」。

關於能量轉換效率，前面提到的經濟產業省的研究開發計劃的目標是在5年後把效率提高到5％，在10年後提高到10％。

為實現人工光合作用的實用化，其第二階段也是必需的，也就是在分解水之後，安全地從產生的氣體中單獨提取出氫氣的分離技術。在這一方面，目前正在研究的方法是使用分離膜等。

第三階段，即利用氫氣和二氧化碳製造化學原料的技術也在開發之中。三井化學公司最先投入了使用氫氣實現二氧化碳資源化的嘗試。該公司投資15億日元在大阪府高石市的大阪工廠建設設備，在2009年4月啟動了利用氫氣和二氧化碳合成甲醇的實驗。

實驗中使用的二氧化碳是從該工廠乙烯生產線的廢氣中分離並濃縮而得到的。合成甲醇使用的是以銅和鋅的氧化物為主要成分的特殊觸媒轉換器。實驗雖然已經結束，但實用化計劃尚未成形。

不過，其他化工企業和燃料生產企業也在進行著研發。對於人工光合作用中的二氧化碳資源化過程，經濟產業省認為，「有望在今後約5年內投入實用」。

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以合成替代燃料為目標
如上所述，人工光合作用三個階段的相關研發都在進行之中。與之相對的是，豐田集團的研究子公司——豐田中央研究所在2011年9月成功進行了利用一套裝置就可完成人工光合作用的實證試驗。

始於5年前的這項研究的特點是僅利用陽光、水、二氧化碳就能製造有機物。在過去，製造有機物的過程必須要使用來自外部的電能，或是添加其他有機物來誘發反應。

那麼，這項課題是如何解決的呢？

其重點在於利用了分解水時產生的電子。豐田中研的實驗裝置準備了2種光觸媒轉換器，並用電線將其連接在一起。一種光觸媒轉換器負責從水中分離電子的氧化反應，另一種光觸媒轉換器則負責利用分離出的電子還原二氧化碳合成有機物的還原反應。  


實際反應過程如下：首先，陽光照射到促進水的氧化反應的光觸媒轉換器，把水分解成氧和氫離子（質子），此時還會產生電子。氫離子經交換膜、電子經電線向還原二氧化碳的光觸媒轉換器移動。此時，從外部送入二氧化碳，與氫離子反應生成有機化合物——甲酸。電子的作用是幫助二氧化碳與氫離子合成甲酸。

豐田中研還新開發出了還原二氧化碳的光觸媒轉換器，是在板狀的半導體表面添加了被稱為金屬絡合物的化合物。

但在目前，這種光合作用的光能轉換效率僅為0.04％。與作為生物燃料使用的草本植物柳枝稷的0.2％相比，僅為其5分之1。

豐田中研首席研究員梶野勉說：「雖然還不到立即投入實用的水準，但證實了只使用陽光、水、二氧化碳就可以合成有機物，意義深遠。」目前，實驗已經成功得到了比較容易生成的甲酸，今後的目標將是生成乙醇、化學原料丙烯等附加值更高的有機物。

對於汽車行業，開發化石燃料替代燃料的技術迫在眉睫。除了利用水生成氫氣燃料之外，利用氫離子和二氧化碳合成新燃料的方式也將在今後成為焦點。除此之外，使用藻類等植物，利用水和二氧化碳合成液體燃料的技術也在朝著實用化發展。

在日本，揭示植物光合作用原理的活動也日趨活躍。去年，岡山大學與大阪市立大學對光合作用相關蛋白質的結構解析引發了熱議。這些研究將有助於推動人工光合作用研究的發展。

人工光合作用雖然備受關注，但在實用化之前，除了解決技術課題之外，工廠設施建設上也存在需要解決的問題。對於利用水生成氫氣的設備的構想，東大教授堂免表示：「現在考慮的是在玻璃基板上添加觸媒轉換器並將其浸泡在水槽中的面板型裝置。考慮到成本效率，設備需要5km見方的面板。」

也就是說，除了容易獲得的陽光、水、二氧化碳的環境之外，還需要龐大的用地。按照設想，水將使用過濾後的海水，在日本國內可以與石油聯合企業開展合作。要想更大規模、更有效地獲得太陽能，在其他國家的沙漠地區建設工廠設施最為理想。

人工光合作用需要結合大量的技術。大學和企業的研究機構需要團結一致，為達成實用化發揮聰明才智。

對於日本在人工光合作用的研究方面，三菱化學科學技術研究中心生成技術研究所所長瀨戶山亨感覺到了危機，他說：「在人工光合作用的研究領域，目前日本走在世界的尖端。但在美國，該領域的風險企業大量出現，正在吸引投資。不知何時就會追上日本。」

對於這種不使用化石燃料，還能消耗二氧化碳製造燃料和化學原料的夢幻般的技術，日本要加緊完善體制，努力實現實用化。（《日經商務週刊》記者：宇賀神宰司）【日經能源環境網】

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