新しい光触媒システムが二酸化炭素を変換します

香港城市大学

画像: 階層型自己組織化光触媒システム (左) は、ロドバクター スフェロイデスと呼ばれる紫色細菌の天然の光合成装置 (右) を模倣しており、二酸化炭素をメタンに変換する際に 15% の太陽光発電効率を達成します。もっと見る

クレジット: (左) Ye Ruquan 教授の研究グループ / 香港城市大学、(右) Biophysical Journal、99:67-75、2010

からの共同研究チーム香港城市大学 (CityU)そして共同研究者らは最近、自然の光合成よりも効率的な安定した人工光触媒システムを開発しました。 新しいシステムは天然の葉緑体を模倣し、光を使用して水中の二酸化炭素を貴重な燃料であるメタンに変換します。 これはカーボンニュートラルの目標に貢献する可能性がある有望な発見です。

光合成は、植物や一部の生物の葉緑体が太陽光、水、二酸化炭素を使用して食物やエネルギーを作り出すプロセスです。 過去数十年にわたり、多くの科学者が二酸化炭素をカーボンニュートラル燃料に変える人工光合成プロセスの開発を試みてきた。

「しかし、多くの光増感剤や触媒は水中で分解するため、水中で二酸化炭素を変換することは困難です。」と説明しました。葉汝泉教授 , CityUの化学科准教授で、共同研究のリーダーの1人。 「人工光触媒サイクルはより高い固有効率で動作することが示されていますが、二酸化炭素削減に対する水中での低い選択性と安定性が実用化の妨げとなっています。」

最新の研究では、CityU、香港大学（HKU）、江蘇大学、中国科学院上海有機化学研究所の共同研究チームが、超分子集合アプローチを利用して人工物質を作成することで、これらの困難を克服した。光合成システム。 これは、太陽からのエネルギーを非常に効率的に伝達する紫色細菌の集光色素胞 (つまり、色素を含む細胞) の構造を模倣しています。

新しい人工光合成システムの中核は、非常に安定した人工ナノミセルです。これは、水を愛する（親水性）末端と水を恐れる（疎水性）末端の両方を持ち、水中で自己集合できる一種のポリマーです。 ナノミセルの親水性頭部は太陽光を吸収する光増感剤として機能し、疎水性尾部は自己組織化の誘導剤として機能します。 水中に入れると、水分子と尾部の間の分子間水素結合により、ナノミセルが自己集合します。 コバルト触媒を添加すると、光触媒による水素の生成と二酸化炭素の還元が起こり、水素とメタンが生成されます。

研究チームは、高度なイメージング技術と超高速分光法を使用して、革新的な光増感剤の原子的特徴を明らかにしました。 彼らは、ナノミセルの親水性頭部の特殊な構造と、水分子とナノミセルの尾部の間の水素結合により、ナノミセルが安定した水適合性の人工光増感剤となり、従来の人工光合成の不安定性と水非適合性の問題が解決されることを発見した。 光増感剤とコバルト触媒の間の静電相互作用、およびナノミセルの強力な集光アンテナ効果により、光触媒プロセスが改善されました。

実験では、チームはメタン生成率が13,000μmol h−1 g−1を超え、24時間での量子収率が5.6％であることを発見した。 また、自然の光合成を上回る太陽光発電燃料効率15％という高効率を達成した。

最も重要なことは、新しい人工光触媒システムは高価な貴金属に依存しないため、経済的に実行可能で持続可能であるということです。 「このシステムの階層的自己組織化は、亜鉛やコバルトのポルフィリン錯体のような、地球上に豊富に存在する安価な元素に基づいて、正確に制御された高性能の人工光触媒システムを作成するための有望なボトムアップ戦略を提供します」とYe教授は述べた。