私たちの暮らしを支えるエネルギーの大半は、植物に由来します。数億年前に形成された化石燃料であれ、私たちが口にする食物であれ、炭素を含むエネルギーはすべて、究極的には植物の光合成に由来します。
化石燃料（古代の植物が化石化したもの）を燃やし、その内部に蓄えられた炭素を大気中に放出することで、私たちは地球を温暖化させ、 壊滅的な結果を招く可能性があります。
簡単に言えば、光合成は太陽光のエネルギーを使って水と二酸化炭素を植物の構造体へと変換します。また、エネルギーを蓄える仕組みも生み出します。
化石燃料の使用から早急に脱却する必要があることを考えれば当然ですが、世界各地の研究者たちは、植物の物質をより有用な燃料に変える方法を懸命に研究しています。その一つが、人工光合成によって、植物がエネルギーを作り出す過程を模倣する方法です。
そして、 最近の発見 は、新たな気候に優しい燃料を生み出すうえで大きな一歩となるかもしれません。
植物の得意技を超える
植物による光合成は、太陽エネルギーを集めて蓄える点で、実際にはかなり効率が低いものです。バイオ燃料など植物由来のエネルギー源だけで世界のエネルギー需要を賄うことは難しいでしょう。必要な量の植物を育てるだけの土地がないからです。
別の方法として、光合成で起こる基本的な過程を理解し、工業的な環境でそれを模倣するアプローチがあります。これは人工光合成として知られる概念です。
植物による光合成よりも効率の高い人工光合成を開発できれば、燃料需要のかなりの部分を、こうした「太陽燃料」工場で賄える可能性があります。日光と水が豊富な場所ならどこでも設置でき、大気が残りを供給してくれます。
しかし、人工光合成はまだ開発途上です。研究者たちは、人工光合成を大規模に実現するという課題に取り組むため、さまざまな手法を開発してきました。
いつものことながら、肝心なのは細部です。自然の光合成の仕組みを深く掘り下げると、植物が複数段階からなる過程を進化させてきたことがわかります。
光合成の仕組み
まず、光のエネルギーを取り込む必要があります。植物では、葉の葉緑体にあるアンテナ分子と呼ばれる集光複合体がこれを担います。
次に植物は、取り込んだ光エネルギーを使って電子という形で自由エネルギーを生み出し、水分子を分解して酸素分子を得ます。この反応は酸化マンガン化合物によって「触媒」されます。
その後、これらの電子は別の場所へと運ばれ、太陽光から得た別の光子によってさらにエネルギーを与えられます。これにより、二酸化炭素から新たな炭素分子が生成されます。
この過程の鍵を握るのは触媒です。触媒は光を吸収して電子の形でエネルギーを取り出し、その電子を渡して二酸化炭素分子を分解できなければなりません。
こうした異なる役割を果たすには、複数の材料を組み合わせる必要があります。また、効果的に機能させるには、材料同士を非常に近接させる必要があるため、これらすべてをナノ粒子の大きさに縮小しなければなりません。
答えに近づく
私たちの研究グループは最近、ARC電気材料科学卓越研究センター（ACES）のモナシュ大学研究室に所属する研究者、Dr Haitao Liが開発した新しい触媒という形で、大きな進展を遂げました。この発見は最近、 Advanced Energy Materials誌に掲載されました。
Dr Liは、直径約1マイクロメートル（1ミリメートルの千分の一）の酸化銅の微小球（Cu2O）を用い、その表面の無作為な位置に、直径約2ナノメートルの小さな炭素ドットを取り付けました。
酸化銅は光を非常に効率よく吸収し、電子の形でエネルギーを取り出すとともに、CO2をその表面に結合させます。炭素ドットは水分子の分解を助けます。
日光にさらされると、この触媒はCO2を着実に吸収して変換します。この過程で生成されるのはメタノールです。自動車の走行や家庭の暖房、発電に利用できる、非常に有用な液体燃料です。
炭素回収 （発電所の煙道からCO2を回収すること）は、人工光合成技術の開発を加速させる可能性があります。現時点では、このCO2の用途がないため、大きな経済的コストをかけて地層に「隔離」しなければなりません。
人工光合成は、この濃縮されたCO2を直接利用できるため、炭素回収技術の経済性を高めます。このCO2は、高効率な人工光合成プロセスにとって理想的な原料となるでしょう。
世界各地の研究グループが、さまざまな方向から人工光合成の手法を研究しています。また、ANUのProf Tom Faunceが主導する、こうした取り組みを ハイレベルで 調整し、進展を加速させようとする動きも広がっています（ こちらもご覧ください）。
以下との共同出版： The Conversation
著者：Doug Macfarlaneは、モナシュ大学の化学教授です。
画像：2014年7月30日、シンガポールのSky Greens垂直農場で、作業員がタワーから新鮮な農産物を収穫している。REUTERS/Edgar Su
