電源なしで空気から液体燃料を生むマシーン誕生、原理は「葉っぱ」（ギズモード・ジャパン）

まるで錬金術！ イェール大学の研究チームが開発した「人工葉」が、太陽光・水・二酸化炭素だけを使って液体燃料のメタノールを生成することに、世界で初めて成功しました。しかも、外部電源なしの完全自立型デバイスです。 その性能は、従来の同じような試みを32倍上回るといいます。界王拳もびっくりの倍率だ。 研究成果は、米国化学会の学術誌『Journal of the American Chemical Society』に掲載されました。

メタノールは、炭素・水素・酸素からなる最もシンプルなアルコールの一種です（ただし、毒性があるので飲めません）。常温では無色透明の液体で、ガソリンよりずっとクリーンに燃え、燃料電池との相性も良い。 産業的としては、接着剤・塗料・プラスチックといった化学品の原料としても大量に使われていて、世界で年間約1億トンが生産・消費されています。船舶や航空機の次世代燃料としても研究が進んでいるんです。 主な原料は天然ガスや石炭といった化石燃料で、製造過程でもCO2が生まれます。最近ではカーボンニュートラルのために、それらの化石資源を使わずにメタノールを作る技術が実用化されてもいます。

さて、今回の「人工葉」の仕組みを理解するために、まず本物の葉っぱを思い出しましょう。 「光合成」って、理科の授業で聞いたことがあるはずです。植物の葉は、太陽光で水とCO2をグルコースへ変換し、酸素を大気へ放出します。要するに「シンプルな材料から複雑な分子を組み立てる仕組み」が葉っぱということ。 今回の人工葉も発想としては同じように働きます。ただし出力がグルコースではなくメタノールなんですね。

触媒の開発は2019年にスタートしました。イェール大学のHailiang Wang教授たちが作り上げたのは、「ヘテロジニアス分子型電気触媒」と呼ばれる代物です。名前は難しいですが、仕組みはこうです。 CO2をメタノールに変えるには、CO2の分子に6個の電子を一気に注入する必要があります（「6電子還元」と呼びます）。 しかし、従来の触媒では電子の供給に限界があり、2個しか注入できない「2電子還元」にとどまっていて、できるのはCO（一酸化炭素）まで。メタノールへの変換はその先にあって、ずっと届かなかったのです。 そこで登場するのが、グラフェンシートを筒状に丸めた「カーボンナノチューブ」です。研究者たちはこのナノチューブを「電子の高速道路」と表現しており、高速かつ連続的に電子を供給できるように。 コバルトフタロシアニンという分子触媒がその表面に並び、電子が届くたびにCO2をメタノールへと変換していきます。

長谷川賢人