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綠色器件 2013/02/28 00:00
人工光合作用，來自CO2的終極環保燃料
與植物一樣，使用CO2生產燃料。
這種夢幻般的技術能夠量產出「無碳」環保燃料。
電子企業憑藉新思路，實現了與植物相當的效率。
「這是算錯了吧？」。
2012年2月，在地處京都府精華町的松下尖端技術研究所，羽柴寬研究員簡直不敢相信自己的眼睛。
按照電腦得出的結果，該研究所開發的人工光合作用系統的能量轉換效率達到了0.2％。
相當於豐田中央研究所開發的人工光合作用系統在半年前，
也就是2011年9月創下的世界紀錄——0.04％的5倍。
效率堪比植物
環保材料研究組專案經理山田由佳介紹說，
「因為光觸媒轉換器採用了全新材料，數值的增加在意料之中，但沒想到會如此之高。0.2％基本與柳枝稷（一種雜草）的光合作用同級，這也就意味著達到了與植物相同的水準」。
植物的葉綠素具有吸收陽光，
把CO2（二氧化碳）和從地下吸收的水分轉化成氧氣、澱粉和糖等養分的作用。
與之相同，使用特殊的觸媒轉換器，按照植物光合作用的原理，
消耗CO2，製造燃料和化學原料的技術就是人工光合作用。
與利用植物原料生產生物燃料一樣，
生產燃料時消耗的CO2與燃料燃燒時釋放的CO2相互抵銷，
理論上可以實現燃料的「無碳」量產。
植物的光合作用分成使用陽光製造氧氣的「光反應」和還原CO2（二氧化碳）製造澱粉等物質的「暗反應」
山田總監說：
「有數據顯示，植樹造林1公頃1年可以減少10噸CO2，
這種人工光合作用系統如果鋪設1公頃，在理論上可以吸收等量的CO2」。
現在，該系統生成的產物是染料和香料的原料——有機化合物甲酸。
如果鋪設1公頃，1年可製備甲酸為9000L。
在未來2年，該公司計劃繼續進行開發，不再利用該系統製備甲酸，
而是製備與之等量的酒精。
製備的過程如下。首先，向沒入水中的光觸媒轉換器照射陽光，把水分解成氧氣和氫離子。其間同時還會產生電子。氫離子移動到交換膜上，電子通過電線移動到對CO2進行還原的光觸媒轉換器上。此時，CO2從外部輸入，與氫離子發生反應生成甲酸。電子在CO2與氫離子生成甲酸的過程中被消耗掉。
植物的光合作用分為兩個階段：①在陽光作用下將水分解成氧氣、電子、氫離子的「光反應」；②消耗分解電子、氫離子的能量，利用CO2合成澱粉等物質的「暗反應」。
從1970年代至今，科研人員對植物光合作用第一階段的「光反應」反覆進行了研究。目的是為燃料電池等製備作為燃料的氫氣。研究表明，在植物光合作用中，植物利用陽光分解水時，一種叫做「錳簇」的物質發揮著觸媒轉換器的作用。但是，由於太過微小，錳簇的構造一直無人知曉。
2011年4月，大阪市立大學教授神谷信夫等人利用大型輻射設施「SPring-8」（兵庫縣）對原子間距進行分析，在世界上率先發現了錳簇的立體構造。研究結果得到了美國《科學》雜誌的表揚。在那以後，為了製造出構造與錳簇相似的物質，世界各地都加快了研究的步伐。
在日本，分子科學研究所、東京工業大學等機構利用金屬與非金屬原子混合化合物，也就是有機絡合物模仿植物的機理，為揭示光合作用的機製做出了貢獻。但是，由於有機絡合物只能對陽光中的特定波長做出反應，因此，在充分利用全波長太陽能上存在局限性。
此時，豐田中央研究所的研究成果成為了打開局面的契機。該所採用的是光觸媒轉換器中唯一有實用業績、已經得到外牆防污塗料和空調過濾器採用的氧化鈦。氧化鈦的氧化還原能力強，是利用水製備氫氣時最常用的高效光觸媒轉換器。但單獨使用只能利用陽光製備氫氣，不能還原CO2。
豐田中央研究所通過結合特殊的有機絡合物作為第二觸媒轉換器，在世界上第一個只使用水、氧氣和陽光，在常溫常壓狀態下成功實現了人工光合作用。
豐田中央研究所于2011年9月發表了研究成果。聽聞這一消息，松下尖端研主管研究員四橋聰史也不禁怏怏地表示「被搶先了一步」。
但豐田中央研究所發表的能量轉換效率為0.04％。四橋回顧當時的情景時表示，「我們對超越信心十足」。
因為松下採用的是一種前所未有的全新方法。
社長宣言，沒了退路
2009年10月7日，家電展會「CEATEC JAPAN」在千葉幕張開幕。在座無虛席的觀眾面前，松下社長大坪文雄（當時，現任會長）發出了這樣的宣言：「松下正在研究讓CO2轉變成甲醇的光觸媒轉換器。這種觸媒轉換器能夠充分利用太陽能，在削減CO2的同時，還能生產出燃料」。
聽罷演講，山田總監所率領的京都松下尖端研的成員們仰天長嘆。「大坪社長在夏天來視察過，當時我們的確做了展示，但沒想到社長竟然會這樣大張旗鼓地發表。原本只是『要是成功的話挺不錯』的事情一下子成了『勢在必行』的事情。」（山田總監）。
松下從2009年開始高舉「環境革新企業」的大旗，大力發展光伏發電、燃料電池、鋰離子充電電池等能源領域。正因為如此，大坪社長才牢牢盯住了尖端研究員們的展示，但在當時，多數的研究成員「雖然曾經從事過燃料電池的研究，但對於人工光合作用幾乎都是外行」（山田總監）。
研究組瞄準的光觸媒轉換器材料是GaN（氮化鎵）。
GaN是電子企業非常熟悉的半導體。
主要在藍寶石基板上結晶，作為藍色LED（發光二極體）的材料使用。
而且，在控制電力的功率半導體領域，GaN作為降低功率損失的新一代材料，同樣備受關注。「是電子行家在思考光與電（能）的轉換時首先會想到的材料」（主任研究員四橋）。
過去的研究者連想都沒有想過的GaN沒有辜負松下技術團隊的希望，得到了預期的結果。
研究結果顯示，與使用氧化鈦等氧化物相比，GaN能夠使電子達到更高的能態（激發態）。
對於激發不足的部分，豐田中研利用有機絡合物進行了補充，而松下尖端研通過GaN，使電子一次性達到了還原CO2需要的能態。
另一個關鍵點是使用電子企業擅長的薄膜疊層技術。如下圖所示，藍寶石基板上疊加GaN，其上又疊加了AlGaN（氮化鋁鎵）層。
AlGaN 層的雜質少，透明度非常高。按照設計，水分解出的質子和電子各自順利分離到表面層與下層。
「實現這樣的設計依靠的是薄膜技術。
借助這項技術，效率提高了一個數量級」（主管研究員四橋）。
可以說，不受「模仿植物構造」的傳統研究方向的束縛，發揮電子企業的強項是推動研究取得進展的動力。
從世界範圍來看，人工光合作用也是關注的焦點。
美國能源部計劃從2010年開始，在5年時間內，向人工光合作用的實用化研究投入1.22億美元。
在領跑的日本，經濟產業省從2012年7月開始，啟動了企業研究所、大學等機構參與的實用化開發項目。
現在還有很多技術都在研究之中，松下的山田總監認為，「目前，相對於專攻一點，還處於各種方法相互切磋、相互競爭，全面觀察可能性的階段」。
（記者：小板橋太郎，《日經商務週刊》）
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■日文原文
CO2から究極のエコ燃料
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