実験室環境での光合成の例。水に浸された触媒 が、小さな容器（電池）に容れられ、太陽光を模した光に照らされる。見られる泡は（小容器の手前の）酸素 と（小容器の後ろの）水素 である。 人工光合成 （じんこう こうごうせい、英 : Artificial photosynthesis ）は、光合成 を人為的に行う技術。
自然界での光合成は、水 ・二酸化炭素 と、太陽光 などの光エネルギー から化学エネルギー として炭水化物 などを合成するものであるが、広義の人工光合成には太陽電池 を含むことがある[ 1]
自然界での光合成を完全に模倣することは実現していないが、部分的には技術が確立しており、単純なエネルギー変換効率では植物を上回っている[ 2]
エネルギー資源 の化石燃料 からの置き換え、また炭酸固定 により、地球温暖化 の原因と考えられている二酸化炭素 の排出量抑制が期待される[ 2] エネルギー貯蔵 が容易になる。
人工光合成の研究の方向性として大きく2つあり、一つは、光エネルギーを使って｢水を分解して水素を作る研究 ｣で、もう一つは｢CO2を『還元』して有機化合物を合成する研究 ｣である[ 3]
太陽光エネルギーの何％を水素エネルギーに変えられるかという「エネルギー変換効率」は自然界の植物では0.3%であるが、コスト面の問題で商用的に実用化するには最低でも10％のエネルギー変換効率が必要とされる[ 4] [ 5] [ 6]
光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換する光化学反応 （明反応）と、化学エネルギーから糖を合成するカルビン回路 （暗反応）に大別できる。太陽光を集光する「光捕集系」ではクロロゾーム (Chlorosome の人工的利用が研究されている[ 7] [ 8] ポルフィリン を用いた研究が行われている[ 9] + -Mesを光触媒 とし、白金クラスタを用いることによりNADH を電子源とし効率よく水素が発生することが発見された。水素はCO2 固定触媒でギ酸 として貯蔵することが考えられている。必要に応じてギ酸分解触媒により水素を取り出すことが可能である[ 9] 遺伝子操作 を施したCO2 固定酵素RuBisCO の利用が考えられる[ 10]
ランタン を1%ほどドープ し、表面に酸化ニッケル を塗布したタンタル酸ナトリウム に波長300nm以下の紫外光 を当てると水が分解され、酸素と水素を生じる。この反応は量子収率50%を越え、2005年日本国際博覧会 にも出展されたが、紫外光しか使えないため実用化には至っていない[ 11]
ロジウム をドープしたチタン酸ストロンチウム は、可視光線 を照射することにより水を還元し水素を発生する光触媒であることが発見され、同様に可視光で酸素 を発生するバナジン酸ビスマス と組み合わせることにより、水の分解に成功している。この反応は電子の流れから「Zスキーム」と呼ばれるが、量子収率は約3%、太陽光エネルギーの変換効率は0.1%ほどである[ 11]
純粋な水の分解ではないが、硫黄 系還元剤 を含む水溶液に、金属の硫化物 を触媒として可視光線を照射すると水素を生じる反応も発見されている[ 11]
太陽電池の研究は19世紀から始まり、1839年にフランスの物理学者アレクサンドル・エドモン・ベクレル が光起電力効果 を発見。1884年にはアメリカの科学者チャールズ・フリッツ が世界初の太陽電池を製作した。一方、光合成の研究は1910年頃から行われ、1956年にルドルフ・マーカス により電子移動反応 理論が発表された。1972年には東京大学 の本多健一 と藤嶋昭 により、酸化チタン 電極を用いて、紫外線 を照射することにより水を水素 と酸素 に分解する本多-藤嶋効果 が発表された。1974年から2000年にかけては、日本の新エネルギー 研究プロジェクトであるサンシャイン計画 、ニューサンシャイン計画が実行された[ 1] 根岸英一 らと文部科学省 とが人工光合成などの技術革新の具体化を進めることで合意した[ 12]
人工光合成に関連する研究の主体と内容を以下に記す。
2011年4月、大阪市立大学 の神谷信夫 らの研究チームは植物での光合成の基となるタンパク質 複合体の構造を解明。同じ構造を持つ触媒により、2020年までに二酸化炭素と水からメタノール 燃料の製造を行う構想を打ち出している[ 13]
2011年9月は豊田中央研究所 が世界で初めて、水と二酸化炭素と太陽光のみを用いた人工光合成に成功した[ 14] 光触媒 を用いることで、犠牲薬 を添加することなく擬似太陽光 での有機物の生成を可能にした[ 15] [ 16] [ 2]
2012年7月30日、パナソニック は窒化物半導体 を利用した人工光合成システムを発表した。光電極側に窒化物半導体を使い、もう一方の金属触媒電極からギ酸を得るものであり、触媒 の種類を変えることにより有機物 の種類を選択できる[ 17] [ 18] エネルギー変換効率 は0.3%と植物を越えており、今後の研究により実用化の目処である1.0%を達成できる可能性がある[ 19]
2014年11月20日、東芝 が変換効率1.5％という世界最高の変換効率を達成する材料を開発した[ 20]
2015年7月20日、大阪市立大などの研究チームが、「人工光合成」の技術を使い、酢酸 から自動車の燃料になるエタノール を作り出すことに成功したと発表[ 21]
2016年12月5日、昭和シェル石油 は燃料電池 に使われるガス拡散電極を応用して、常温常圧下で水と二酸化炭素から太陽光のエネルギーだけでメタンとエチレンを合成することに成功したと発表した。同社は常温常圧下で太陽光エネルギーのみで炭化水素などの有用な物質を生成できたのは世界初としている[ 22]
2018年8月27日、産業技術総合開発機構（NEDO）、人工光合成化学プロセス技術研究組合（ARPChem）、東京大学の共同チームが植物のエネルギー変換効率0.3%の約10倍となる太陽光エネルギー変換効率3.7％の非単結晶光触媒を開発したと発表[ 4] [ 23] [ 23]
新エネルギー・産業技術総合開発機構 （NEDO）は2014-2021年度計画で技術開発を進めている。光触媒で水を分解して得た水素を、工場や火力発電 所から排出される二酸化炭素と合成触媒で反応させてオレフィン を生成し、プラスチック 等の原料とする[ 24] [ 25] 2019年1月25日、産業技術総合開発機構（NEDO）、人工光合成化学プロセス技術研究組合（ARPChem）、東京大学の共同チームが窒化タンタル（Ta3 N5 ）光触媒を用いて太陽光エネルギー変換効率5.5％を達成したと発表[ 26]
2020年5月29日 新エネルギー・産業技術総合開発機構 （NEDO）が世界初の100％に近い量子収率 で水を分解する光触媒 を開発[ 27]
2021年4月21日、トヨタグループの研究所、豊田中央研究所が36cm角のセルで実現し、太陽光変換効率7.2％を達成したと発表した[ 28]
2021年12月8日、豊田中央研究所は、1m角人工光合成セルでエネルギー変換効率10.5%を達成したと発表した[ 6] [ 29] [ 30] [ 31]
2023年10月27日、NTT は、太陽光エネルギーを利用する半導体光触媒と二酸化炭素を還元する金属触媒を電極として組み合わせた人工光合成デバイスを作製し、世界最長の350時間連続炭素固定を実現したと発表した[ 32]
メリット ：
太陽エネルギーは直接に変換されそして蓄積される。太陽光発電 のセルでは、太陽光は電気へと変換される、そしてそのとき、二次的変換に結びついたなんらかの必要なエネルギーの損失をもって、保存のための科学的エネルギーに再度変換される。
これらの反応の副産物は環境に優しい。人工的に合成された燃料は、輸送や家庭のために使える、カーボンニュートラル なエネルギー源になるだろう。
再生可能エネルギー 発電の利用には、既存の自動車のEV への置換、スマートグリッド や充電ステーション のような新たな送給電インフラ整備の莫大なコストがかかる。これに対し、人工光合成産物は従来の化石燃料 を用いるシステムをほぼそのまま継続利用できる。またエネルギーだけでなく工業原料にも利用できる。デメリット ：
炭素 などの原子 を介して反応させるため理論効率が電子 のみ移動する太陽光発電 より低い。これは将来的にも効率で太陽光発電 に勝てない事を意味する。人工光合成に使う水の管理が必要になる。藻 の発生などは死活問題となる。
太陽光発電 の広い普及には設置場所の制約が少なかった事が理由にある。しかし人工光合成には水の管理、触媒の管理、そして作られた有機物 水溶液を輸送する必要が有る。これらを考慮すると太陽光発電 に対して維持管理 コストで勝つ事がかなり難しくなる。人工光合成に使う諸材料はしばしば水の中で腐食し、長期間の経時で太陽光発電 よりも不安定になる。その存在において不活性もしくは劣化する、多くの水素触媒は、酸素に対して非常に敏感である；光による損傷も時間が経つ間に起きるかもしれない[ 33] 太陽光発電 に対して耐久性で大きく劣る事を意味している。
費用は、エネルギー源の商業用の産出として、化石燃料 と競合するには、（まだ）十分有利ではない[ 35]
二酸化炭素 から有機物 の合成は電力 のみでも可能である為、わざわざ維持管理 が難しい人工光合成を広大な敷地で行うよりも、安価な太陽光発電 で得られた電力 を使い、工場などで有機物 を合成した方が効率的である。[ 36] [ 37] 触媒計画において扱われるひとつの重要なことは、効率性である、とりわけ実際に光の照射をどれだけシステムで活用できるかである。これは、化学的エネルギーへの光の変換が測定される、光合成の効率 で比較しうる。光合成組織はおおよそ50％の太陽放射の投射を集めることができる、しかしながら変換能力の理論的な限界は、C3 ならびにC4 植物では順に4.6と6.0％である。実際には、光合成の効率は、熱帯気候のサトウキビ のようないくつかの例を除いて、とても低く通常は1％以下である。対照的に、人工光合成の研究室の試作品についての報告された最大の効率は22.4％である。
Andreiadis, Eugen S.; Chavarot-Kerlidou, Marielle; Fontecave, Marc; Artero, Vincent (September-October 2011). “Artificial Photocynthesis: From Molecular Catalysts for Light-driven Water Splitting to Photoelectrochemical Cells”. Photochemistry and Photobiology 87 (5): 946-964. doi :10.1111/j.1751-1097.2011.00966.x . PMID 21740444 . Armaroli, Nicola ; Balzani, Vincenzo (2016). “Solar Electricity and Solar Fuels: Status and Perspecties in the Context of the Energy Transition”. en:Chemistry - A European Journal 22 (1): 32-57. doi :10.1002/chem.201503580 . PMID 26584653 . Bonke, Shannon A. (2015). “Renewable fuels from concentrated solar power: Towards practical artifical photosynthesis”. Energy and Environmental Science 8 (9): 2791-2796. doi :10.1039/c5ee02214b . Brankenship, Robert E.; et al (13 May 2011). “Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement”. Science 332 (6031): 805-809. Bibcode : 2011Sci...332..805B . doi :10.1126/science.1200165 . PMID 21566184 . Krassen, Henning; Ort, Sascha; Heberle, Joachim (2011). “In vitro hydrogen production-using energy form the sun”. Physical Chemistry Chemical Pysics 13 (1): 47-57. Bibcode : 2011PCCP...13...47K . doi :10.1039/C0CP01163K . PMID 21103567 .
