人工光合作用——利用太阳能的新选择

太阳向地球倾洒着无穷无尽的光芒。如果能将这些光能全部转换成电能，1小时的照射量就能满足人类1年消耗的能量。

但太阳光的能量密度低，而且受天气影响不稳定。因此，虽然太阳能具有清洁、取之不尽等优点，但是能够利用这种能源的技术选择却非常少，目前只有太阳能发电或太阳热利用。因此，需要从事能源技术的研究人员开发一种可行性高的新技术。

作为一种新选择，日本产业技术综合研究所（产综研）太阳能发电研究中心的佐山和弘和三石雄悟提出一种通过利用人工光合作用的“光催化电解混合动力系统”进行“太阳能制氢”的方案。人工光合作用是指模拟植物光合作用的结构，将太阳能转换成化学能，制造出氢气和有用化学品的技术。

佐山和弘

太阳能发电研究中心首席研究员

功能性材料组研究组长

三石雄悟

太阳能发电研究中心功能性材料组主任研究员

“人工光合作用”一词很容易让人联想到科幻世界等未来景象，所以人们普遍认为这只是一种基础研究，“应用还为时尚早”。但是佐山表示，“实际上，这并不是天方夜谭，而是一种相当接近实用化的技术”，佐山还使用“太阳能制氢”一词明确了以目的为导向的技术和概念。

模拟植物光合作用，分两个阶段制造氢气

利用太阳能制造氢气的技术大致分为两种。第一种是用光照射水中的氧化钛，将水分解为氢气和氧气的“光催化”系统，第二种是利用光电极进行分解的“光电极”系统。使用光催化的方法是，将粉末氧化物等半导体材料分散在水中，然后通过光的照射来产生氧气和氢气。如果改变溶液的成分，还可以生成各种有用的化学品。佐山从大学时代就开始进行“光催化”的研究。

光催化的研发历史很长，已经广泛应用于清洁建材、空气净化器等环保领域，但在氢能制造方面，由于能量转换效率较低，因此尚未实现实用化。而且，由于氧气和氢气是在同一个地方产生的，因此存在爆炸的危险性、以及回收氢气需要耗费时间等课题。

其中最大的课题是提高能源的转换效率，而解决这一课题，不仅需要找到好的催化剂，还需要开发更高效的制造方法。关于光催化，长期以来只有利用紫外线分解水的方法。2001年，佐山开发出世界上第一个利用可见光分解水的光催化系统，这为提高转换效率迈出了一步。

“如何利用可见光高效进行水解呢？我们在探讨如何解决包括安全性和成本方面的问题时，想出了模仿天然光合作用的机制。实际上植物的叶绿体中有两种吸收光的部位，分别发生两个阶段的反应。其中一个吸光部位利用吸收的光和水合成氧气，而另一个吸光部位将水合成有机物的氢化物。两种吸光部位之间有多个氧化还原介质传递电子。此前我们只使用了一种光催化剂，但后来发现，像天然光合作用那样使用两种光催化剂和单纯的氧化还原介质就可以分别生成氧气和氢气了。”

通常，在光催化过程中，会从水中同时生成氧气和氢气。但是使用氧化还原介质（铁和碘离子等）的话，在其中一个光催化过程中，生成氧气的同时发生还原反应，而在另一个光催化过程中，生成氢气的同时发生氧化反应，使氧化还原介质变为原来的状态。

这种方法能够使用的催化剂种类很多，可以尝试各种各样的组合。而且理论上可以分别生成氧气和氢气，因此安全性高，也不需要收集氢气。这一新概念和研究成果发表后，大家对它们的期待很高，因此很多研究人员开始涉足该领域。但是由于氢气的生成效率较低，要想实现实用化还需要解决很多课题。

达到接近植物光合作用的世界最高效率

在研究的过程中发现，在两种光催化剂中，产生氧气的催化剂性能并不差，需要改良的是产生氢气的催化剂。

佐山认为，“既然产生氢气的催化剂需要改良，那就把产生氢气的催化剂换成电解装置吧。不要拘泥于研究新的光催化剂，如果现有技术能够使用的话也可以试试。”这就促成了光催化电解混合动力系统的构想。

光催化反应的第一阶段是利用外部装置的机制，即生成Fe²+溶液后将其倒入低电压电解装置中。在电解侧，Fe²+被氧化为Fe³+，同时产生高纯度的氢气。这样的话氢气和氧气就可以完全分离，也容易实现大型化。佐山认为这才是能在短时间内实现实用化的系统。

佐山大约在20年前就提出了这种想法。但是，结合光催化和电解的混合动力装置虽然按计划运行，但无法大幅提高光催化的转换效率。

事情在2009年发生了转机。专门研究光催化的三石进入研究所。致力于这一课题的三石不断取得成果，将最初还不到0.1%的太阳能转换效率很快提高到了0.3%。

“光催化剂必须在一个粒子中完成所有必要的工作，因此是一种需要顾及多方面的复杂材料。随着问题点被一个一个地攻破，我们弄清了阻碍性能提高的因素，并在重复实验的过程中找到了更好的光催化剂。”

之后，他们继续进行提高光催化剂性能的研究，现在已经达到了0.65%的转换效率。这一数值目前在使用粉末光催化剂和氧化还原介质的人工光合作用技术中属于世界第一。

“目前放置在屋顶的太阳能电池具有20%左右的效率，所以大家可能觉得0.65%的数值非常低。但是，玉米将太阳能转化为纤维素的能源效率也只在0.8%左右。人工光合作用的机制与太阳能电池基本是一样的，所以理论上能达到10%以上。只是把氧化物的粉末放入铁溶液中就产生了与植物相近的转换效率，所以我认为这是相当大的成果。”（三石）

今后效率的提高取决于能否能制造出一种可以同时吸收太阳光中具有长波长的光的光催化剂。但是，关于光催化剂的探索，利用手工操作所能尝试的种类有限，因此现在还使用了自动生成催化剂的机器人。将来，通过与人工智能的结合，应该能够更加高效地探索光催化剂。

过渡技术也很重要

据说，佐山提出光催化电解混合动力的想法时，周围的人都觉得不太理想。虽然对此抱有兴趣，但与以往只需要加入粉末就能完成反应的光催化剂不同，这种方法还要用电，因此其他人可能觉得很复杂，而且成本也很高。

（图片均来自网络）

但实际上，只要将光催化剂分散到铁溶液中，然后用光照射溶液，就可以自行生产能源，所以这是一种简单且容易实现大容量化的系统。据估算，与组合太阳能发电与水电解的系统相比，这种混合动力系统的成本更低。

另外，如果改变溶液的种类，就可以改变生成物，即不会生成氧气，而是生成价值更高的有机物和有用的化学物质（如过氧化氢和次氯酸等）。将这些生成物销售的话，整个系统的成本应该会更低。这样的光催化系统和光电极系统也在积极研究中。

“混合动力汽车同时装载有电池和汽油发动机，因此最初价格高，打开市场的速度缓慢，但随着低成本化的推进，并以环境负荷小和燃耗低而被熟知，产品开始畅销。将来只用电力和氢能驱动车辆是较为理想的方式，在此实现之前应该以混合动力汽车进行过渡。”

佐山表示，“光催化电解混合动力系统也一样，与其说是终极技术，不如说是过渡技术。”他们认为，在找到终极光催化剂之前，不要只等待新技术的引进，首先应该尽快将现实的技术实用化，为社会的低碳化做出贡献。现在，对此感兴趣的企业也不断增加，我们将和各个领域的企业展开合作，共同推进实用化的研究开发。今后，将寻找转换效率超过1~3%的光催化剂材料，进行规模化的电解实证实验，扩大光催化剂和电解各自的适应领域，寻找最佳匹配。”

佐山还表示，“实现能源相关技术的实用化需要很长的时间，如果不同时推进长期、中期、短期的技术，就会造成衔接困难。我认为光催化电解混合动力技术的实用化已经不远了，已有很多企业参与到该技术的研发中，同时，我也会坚持不懈地推进研发，尽早实现可再生能源社会。”

三石也表达了自己的决心，“我相信人工光合作用与太阳能制氢技术最终一定会造福于社会的。我们会加倍努力，尽早完成这项技术，并尽快与企业进行对接。”

产综研：通过利用人工光合作用的“光催化电解混合动力系统”进行太阳能制氢