化学者が既存のシステムより10倍効率的な「人工光合成」システムを開発

ルイーズ・ラーナー著

2022 年 11 月 10 日

過去 2 世紀にわたって、人類は集中エネルギーとして化石燃料に依存してきました。 何億年にもわたる光合成が、便利でエネルギー密度の高い物質に詰め込まれています。 しかし、その供給は有限であり、化石燃料の消費は地球の気候に多大な悪影響を及ぼします。

シカゴ大学の化学者ウェンビン・リン氏は、「多くの人が気づいていない最大の課題は、自然界ですら私たちが使用するエネルギー量に対する解決策がないということだ」と語った。 光合成ですらそれほど優れているわけではなく、「私たちは自然よりも優れたものを作らなければならないだろうし、それは恐ろしいことだ」と彼は語った。

科学者たちが検討している考えられる選択肢の1つは、植物のシステムを作り直して私たち独自の種類の燃料を作る「人工光合成」だ。 しかし、一枚の葉の中の化学装置は信じられないほど複雑で、私たち自身の目的に変えるのはそう簡単ではありません。

シカゴ大学の6人の化学者によるNature Catariseの研究は、これまでの人工システムよりも生産性が1桁高い革新的な新しい人工光合成システムを示した。 二酸化炭素と水から炭水化物を生成する通常の光合成とは異なり、人工光合成はエタノール、メタン、またはその他の燃料を生成する可能性があります。

毎日車に燃料を供給できるようになるまでには長い道のりがありますが、この方法は科学者に探究すべき新たな方向性を与え、短期的には他の化学物質の生産に役立つ可能性があります。

「これは既存のシステムの大幅な改善ですが、同じくらい重要なことは、この人工システムが分子レベルでどのように機能するかを非常に明確に理解することができたことです。これはこれまで達成されていませんでした」とリン氏は述べた。ジェームズ・フランク シカゴ大学化学教授であり、この研究の主著者。

「自然の光合成がなければ、私たちはここに存在しなかったでしょう。光合成は私たちが地球上で呼吸する酸素を作り、私たちが食べる食べ物もそれから作りました」とリン氏は語った。 「しかし、それは私たちが車を運転するための燃料を供給するには決して効率的ではないので、何か別のものが必要になるでしょう。」

問題は、光合成が炭水化物を生成するように構築されており、炭水化物は私たちの燃料として最適ですが、はるかに集中したエネルギーを必要とする車にはそうではないということです。 そのため、化石燃料の代替品の作成を検討している研究者は、エタノールやメタンなど、よりエネルギー密度の高い燃料を作成するプロセスを再設計する必要があります。

自然界では、光合成はタンパク質と色素のいくつかの非常に複雑な集合体によって行われます。 彼らは水と二酸化炭素を取り込み、分子を分解し、原子を再配列して炭水化物、つまり水素-酸素-炭素の長い化合物を作ります。 しかし、科学者たちは、代わりに、ジューシーな炭素コア (メタンとしても知られる CH4) を水素だけが取り囲む別の配置を生成するために、反応をやり直す必要があります。

この再エンジニアリングは、思っているよりもはるかに難しいものです。 人々は自然の効率に近づけようとして、何十年にもわたってそれをいじくり回してきました。

リン氏と彼の研究チームは、これまでの人工光合成システムに含まれていないもの、つまりアミノ酸を加えてみようと考えた。

研究チームは、有機金属フレームワーク (MOF) と呼ばれる一種の材料から始めました。これは、有機結合分子によって結合された金属イオンで構成される化合物のクラスです。 次に、化学反応に最大の表面積を提供するために MOF を単層として設計し、電子を伝達するコバルト化合物を含む溶液にすべてを浸しました。 最後に、MOF にアミノ酸を追加し、どれが最も効果的かを実験で調べました。

彼らは、反応の両方の部分、つまり水を分解するプロセスと二酸化炭素に電子と陽子を加えるプロセスを改善することができました。 どちらの場合も、アミノ酸が反応の効率化に貢献しました。

しかし、性能が大幅に向上したとしても、人工光合成が広く使用できるほど十分な燃料を生産できるようになるまでには長い道のりがあります。 「私たちが現在いる状況では、私たちの消費に十分な量のメタンを生産するには、何桁も規模を拡大する必要があるでしょう」とリン氏は述べた。

この画期的な成果は、他の化学反応にも広く応用できる可能性があります。 影響を与えるには大量の燃料を作る必要があるが、医薬品やナイロンなどを製造するための出発原料など、一部の分子は非常に少量でも非常に役立つ可能性がある。

「これらの基本的なプロセスの多くは同じです」とリン氏は言う。 「優れた化学物質を開発すれば、多くのシステムに組み込むことができます。」

科学者らは、材料の特性を評価するために、米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所にあるシンクロトロンであるアドバンスト・フォトン・ソースのリソースを使用した。

この論文の共同筆頭著者は、Guangxu Lan (PhD'20、現在北京大学)、大学院生のYingjie Fan、Wenjie Shi (客員学生、現在天津理工大学) でした。論文の他の著者はEric Youです。 （BS'20、現在MIT大学院生）とサミュエル・ベロノー（BS'20、現在ハーバード大学博士課程学生）。

引用: 「人工光合成のための単層金属有機フレームワーク上の生体模倣活性部位」 Lan et al、Nature Cataracy、2022 年 11 月 10 日。

資金提供: シカゴ大学、国立科学財団、中国奨学会

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