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摘要：日本GS Alliance株式会社采用其独有的由量子点和金属有机骨架（MOF:Metal Organic Framework）复合而成的催化剂，利用温室效应气体CO2、水以及太阳能，成功在没有外部电力的情况下，通过人工光合作用合成了可用作燃料和化学物质中间体的原料——甲酸。

关键字：人工光合作用、量子点、金属有机骨架、催化剂、甲酸、氢能社会

随着全球人口爆炸，全球变暖、资源枯竭、塑料污染等地球环境破坏问题愈发严峻，同时，生态系统遭到严重的破坏。在这种背景下，为了解决温室效应气体和能源资源不足的问题，像植物那样利用太阳能由二氧化碳（CO₂）和水生成有机物的人工光合作用备受瞩目。

CO₂作为全球变暖的原因，削减CO₂是构建脱碳、碳中和社会的目标。人工光合作用使用CO₂作为原料。目前，在使用CO₂作为原料，生成新的能源资源，同时实现CO₂削减的技术方面，日本的研究开发处于世界领先水平。

人工光合作用的实验

MOF是由无机金属簇和有机配体合成的新型超多孔有机无机聚合材料，其结构可以在纳米分子水平上得到控制，表面积非常大，是近年来备受关注的最尖端材料。MOF因其以上这些优异的特性，正在研究用于气体储藏、气体分离、金属吸附、催化剂、药品运输、水处理、传感器、电极、过滤器等多种领域。

近几年的研究表明，MOF具有良好的CO₂回收性能。目前，已经开始研究将回收的CO₂用于光还原、化学物质的合成等即人工光合作用中。MOF具有超微细多孔构造，且可以通过人工控制，优化光吸收的波长范围，因此与氧化物、金属络化物、氮化物、酶等其他人工光合作用的备选材料相比，MOF更具优势。GS Alliance 合成了最适合CO₂吸收的MOF。

另一方面，量子点是具有单一纳级（0.5～9nm）超维结构的最尖端材料，其特性遵循量子化学和量子力学。一个量子点的原子、分子数可达数个到数千个，也被称为人工原子、人工分子。物质达到这个尺寸后，通过被称为量子限制的物理化学效应，表现出量子点中的电子能级不连续，产生分离，由光激励形成的发光波长依赖于量子点尺寸的现象。量子点还拥有优异的光吸收能力，能生成多个激子，表面积大，因此正在进行将其用作适用于人工光合作用材料的研发。但是，量子点存在耐久性和耐水性差的问题。

GS Alliance株式会社独自合成了MOF和量子点。此次，GS Alliance对这两种最尖端材料进行了复合和优化。通过将量子点复合到MOF中，提高了其耐久性和耐水性，成功以216μmol h^-1g^-1 cat的高产率合成了甲酸。使用波长中心约为460nm的LED灯作为光源。据推测，在量子点中被激发的电子顺利地被运送到MOF的金属催化剂中，由此，增加了提高催化剂活性的协同效果。

此次，通过人工光合作用获得的甲酸有助于构建氢能社会。阻碍氢能社会在世界范围内普及的最大原因之一是氢难以储存。虽然可以利用储氢罐储存，但氢作为宇宙中最小的元素，尤其是气态氢非常难储存，导致储存成本上升。

在这一点上，虽然甲酸作为强酸不易处理，但是甲酸液体与氢相比更易储存，实用化的难度大大降低。另外，有研究使用甲酸代替氢直接作为燃料电池的燃料。另外，还可以通过催化剂从甲酸中生成氢。因此，GS Alliance目前正在推进人工光合作用的研发，其主要目的是制造便于储藏的甲酸，而非氢。

GS Alliance今后也将继续研究进一步提高反应速率，致力于实现人工光合作用的实用化。

GS Alliance：采用量子点-金属有机骨架复合体成功实现人工光合作用