人工葉が二酸化炭素から液体燃料を作り出す

人工光合成のアイデアは魅力的です。太陽光と二酸化炭素を吸収し、水の存在下で燃料を生成する装置です。 この設計は、水を分解して水素燃料を生成する 2011 年のシステムから、炭素ベースの燃料を生成するために二酸化炭素を使用して削減することを目的とした、より最近のより複雑なシステムに進化しました。

しかし、進みは遅かった。 研究者らは長年にわたり、水素を効率的に生成するシステムの構築に成功し、最近ではメタノールなどの他の製品の製造に使用される一酸化炭素と水素の混合物である合成ガスを生成できるシステムを考案した。 しかし、有用な液体燃料を直接醸造できる装置は、これまで研究者によって実現されていなかった。

ケンブリッジ大学の研究者らは、二酸化炭素を液体燃料のプロパノールとエタノールに変換できる初の人工葉を作成した。 これまでに電気を利用して二酸化炭素を燃料に変換する実証実験は他にもあったが、ネイチャー・エナジー誌に報告された今回の研究は、太陽光を利用して一段階で二酸化炭素からクリーンで有用な燃料を直接生成するという重要な進歩である。

世界中の科学者は、後で使用するために太陽エネルギーを瓶に詰め、大気から二酸化炭素の排出を除去する方法として太陽燃料を作ろうとしています。 人工光合成はその広いカテゴリーに分類され、いくつかのアプローチを使用して実現できます。 1 つは光触媒です。太陽光が二酸化チタンのような光駆動触媒に直接照射され、化学反応を引き起こして二酸化炭素を削減し、水を分解します。

ケンブリッジのチームは代わりに光電気化学的アプローチを採用した、とチームのメンバーでケンブリッジの化学研究者であるモティア・ラハマンは説明する。 このアプローチには、太陽光を吸収して電気を生成する半導体光電極を備えたセルが含まれ、これにより触媒による化学反応が促進されます。 2019年、ケンブリッジ化学教授アーウィン・レイズナーらは、合成ガスを生成するこの種の人工葉装置を初めて製作し、続いて2022年にはそのような装置の軽量浮遊バージョンを開発した。

これらのデバイスはそれぞれ、光起電力ペロブスカイトとコバルト触媒で構成されるカソードと、光触媒のバナジン酸ビスマスで作られたアノードを備えています。 デバイスが水に浸されると、バナジン酸ビスマスが太陽光を吸収し、陽極で水を分解するプロセスを引き起こします。 一方、カソードではペロブスカイトが発電し、コバルト触媒を駆動して二酸化炭素を削減し、合成ガスを生成します。

Rahaman、Reisner、およびチームは現在、彼らが配合した特別な触媒を使用して装置をアップグレードし、装置が合成ガスの代わりに多炭素アルコールを生成できるようにしました。 ラハマン氏によると、二酸化炭素からマルチカーボン生成物を形成できる既知の金属は銅だけだが、そのプロセスには多量のエネルギーが必要だという。 そこで研究者らは、これにパラジウムをドープして、「低電位で低エネルギーを必要とする」バイメタル銅パラジウム触媒を作成した。

人工葉は、光反応器内で太陽光照射を受けることによってテストされます。Motiar Rahaman

この装置は、太陽光の下で水に浸すとすぐに作動し、プロパノールとエタノールの比率が 1 対 1 でアルコールの生成を開始します。 研究者らは実験室で反応を20時間進行させた後、反応器からアルコールを分離した。

ラハマン氏によると、これはまだ初期段階にあり、この装置は一辺わずか5ミリメートルと小さい。 面積平方センチメートルあたりわずかマイクロリットルのアルコールを生成します。 しかしチームは、光吸収材を最適化してより多くの太陽光を取り込み、触媒を微調整してより多くの二酸化炭素を燃料に変換することで、デバイスの効率を向上させることに取り組んでいる。 彼らはまた、より大量の燃料を生産できるように装置をスケールアップすることも計画している。

「私たちはテクノロジーを発明したばかりなので、デバイスはまだ小さいです」と彼は言います。 「私たちは現在、マイクロリットルの量のアルコールを入手しています。しかし、私たちは科学を発明しました。これからは、より大きなスケールに到達するための技術的エンジニアリングの取り組みになります。表面積を増やせば、生成物の量は増加します。」

このストーリーは 2023 年 6 月 5 日に更新されました。