人工光合成がある社会
植物からの独立がもたらす人と自然の新たな共存のかたち

❶ 人工光合成研究の三つのアプローチ

もっとも研究開発が進んでいるのは半導体光触媒を用いた系です。金属錯体は、半導体ほど耐久性の面で強くはないのですが、反応機構を詳細に理解できる点では有利な材料といえます。また、天然の光合成から学ぶこともたくさんあります。天然光合成の構造や機構を解析して人工光合成の材料開発の着想に活かすだけでなく、天然のタンパク質を取り出して人工的に再構成することが可能かを探ったりします。これも人工光合成の一部に入ると思います。

❷ 半導体光触媒からのアプローチ

1967年に二酸化チタン半導体光電極（電極と半導体触媒が一体化したもの）を用いた世界で最初の水の光分解実験の成功例として報告された「ホンダ－フジシマ効果」に端を発し、その後、さまざまな光触媒や半導体光電極を用いた水分解などへと発展したもの。可視光を吸収する半導体触媒も開発され、高効率化にむけた研究が進められている。

❸ 金属錯体触媒からのアプローチ

光を吸収する色素、水の酸化や二酸化炭素の光還元などの触媒として金属錯体を用いる方法。クロロフィルに影響を受けた色素の研究、酸素発生錯体（oxygen evolving complex； OEC）に影響を受けた水の酸化触媒の研究、天然の光合成の分子に影響を受けずに、人工錯体の機能開拓の視点から始まった研究といった三つの流れがある。

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光合成をするさいにかならず必要なのは、太陽からの光を吸う色素。それと、色素が吸った光のエネルギーをつかって反応させるための触媒です。天然の光合成では、この色素と触媒に、どちらも金属錯体が用いられています。これらの分子構造をまねてつくれたらいちばんよいのですけど、こんな構造はさすがにつくれないし、つくってもおそらく機能は出ません。そこで、そのままをまねてつくるのではなく、機能発現のエッセンスだけ抽出した金属錯体を用いて反応させる方法を採るのです。

❺ 生物学からのアプローチ

天然の光合成を改良しようとする方法です。バイオテクノロジーを利用して植物や光合成微生物（藻類や光合成細菌）を改変し、天然には存在しない、より優れた、あるいは利用しやすい、効率のよい光エネルギー変換システムを構築するもの。

❻ 水の光化学的酸化

現時点での最大の課題は、水の光化学的酸化の困難さにある。そこで水を酸化する金属錯体触媒の開発が進められてきた。このうち、酸素発生触媒は、植物が行なう光合成と同様に水の酸化の過程で酸素を発生させる（2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-）。二酸化炭素を還元し、炭水化物の生産へと導くうえで不可欠な電子（e^-）を供給する役割を果たす反応を起こしている。

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酸素発生触媒開発のポイントは、電子移動と結合生成をどちらも効率よく進めるしくみを導入することです。金属イオンがたくさん入った金属錯体をつかえば電子移動をうまく促進でき、水の活性化サイトを適切な距離に置くことで結合生成に寄与できると考えました。また、これまでの人工酸素発生触媒は、ほとんどがルテニウムというひじょうに高価な金属イオンで構成されていましたが、私たちは、そこをなんとか、いちばん安い金属イオンにできないかと努力してきました。その結果、既存の鉄錯体触媒よりも1,000倍以上も活性の高い鉄5核錯体触媒を見いだすことができました。あくまで反応速度だけの比較ですが、天然の光合成がだいたい毎秒400回なのに対し、私たちの触媒はその4倍以上の毎秒1,900回で酸素を出すことができます。

❽ 産業・社会への応用

エネルギーの確保

• ●化石燃料に頼らない水素エネルギーの供給。太陽光と水からつくられた水素により、大量の水素燃料の安定供給を実現。また、水素は気体でありかつ空気中で爆発しやすいため、輸送面の問題を考え、人工光合成で水と窒素からアンモニアを生成する技術も研究されている。
• ●葉緑体を電極の一部に用いるなどしたバイオ燃料電池の開発も進められている。

炭素化合物の合成による二酸化炭素削減、炭素資源の利用

• 二酸化炭素を還元することにより、一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタンなどの有用な炭素化合物を生成。還元の方法には、電気化学的方法、水から得られた水素と触媒を使う方法、光触媒を用いて直接還元する方法があり、いずれも基礎研究の段階である。

❾ 植物の機能を強化する研究も

バクテリアに光合成の機能を付加して二酸化炭素から酢酸を高効率に生産したりする研究や、植物の体内に電子回路の機能をもたせることで、植物の成長速度を制御したり、発電をできるようにする研究が進められている。