Development of artificial photosynthesis system based on hybrid system with visible-light-driven semiconductor photocatalyst and bio-catalyst

太陽光エネルギーを化学エネルギー（二酸化炭素還元によるギ酸の生成や水分解による水素製造）に変換する人工光合成は、人類が直面しているエネルギー問題や環境問題を解決できる可能性を有しており、近年盛んに研究されている。本研究では、半導体光触媒が有する欠点（反応の選択性）を、目的の反応をほぼ100%の選択率で進行させる生体触媒カバーする、半導体光触媒-生体触媒を組みあせたハイブリッド型人工光合成系の開発行うことを目的としている。還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）は様々な酵素反応の補酵素として機能するが、非常に高価であるため、反応後の酸化されたNADH（NAD+）をNADHに戻す研究が様々な方法によって行わている。本年度は、NAD+を酵素活性を有する1,4-NADHに選択的に還元できるRh錯体（[Cp*Rh(bpy)H2O]2+）と、2種の光電極、すなわち光カソードと光アノードを用いることで、水を電子源としたNADH再生系の構築に取り組んだ。光カソードには、バンドギャップが小さく（約1.5 eV）、資源的に制約の少ないCuInS2硫化物光カソードを用いた。CdSを修飾したCuInS2光カソードはRh錯体を還元でき、さらにはNAD+を還元しNADHが生成することが分かった。また、乳酸脱水素酵素を用いた酵素反応（ピルビン酸の還元による乳酸生成）に適用したところ、30時間にわたって安定に乳酸が生成し、その量は用いたRh錯体、NAD+、酵素の量を超えた。次に光アノードの検討を行った。これまで報告してきた水の酸化用TaON光アノードを用い、適切な助触媒の検討を行った。その結果、酸化イリジウムまたは酸化ロジウムを担持させたTaON電極を組み合わせることで、可視光照射下かつ無バイアス下で酸素と乳酸の同時生成が確認され、水を電子源にしたNADH再生系の構築に成功したといえる。

太陽光エネルギーを化学エネルギー（二酸化炭素還元によるギ酸の生成や水分解による水素製造）に変換する人工光合成は、人類が直面しているエネルギー問題や環境問題を解決できる可能性を有しており、近年盛んに研究されている。本研究では、半導体光触媒が有する欠点（反応の選択性）を、目的の反応をほぼ100%の選択率で進行させる生体触媒カバーする、半導体光触媒-生体触媒を組みあせたハイブリッド型人工光合成系の開発行うことを目的としている。還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）は様々な酵素反応の補酵素として機能するが、非常に高価であるため、反応後の酸化されたNADH（NAD+）をNADHに戻す研究が様々な方法によって行わている。本年度は、NAD+を酵素活性を有する1,4-NADHに選択的に還元できるRh錯体（[Cp*Rh(bpy)H2O]2+）と、2種の光電極、すなわち光カソードと光アノードを用いることで、水を電子源としたNADH再生系の構築に取り組んだ。光カソードには、バンドギャップが小さく（約1.5 eV）、資源的に制約の少ないCuInS2硫化物光カソードを用いた。CdSを修飾したCuInS2光カソードはRh錯体を還元でき、さらにはNAD+を還元しNADHが生成することが分かった。また、乳酸脱水素酵素を用いた酵素反応（ピルビン酸の還元による乳酸生成）に適用したところ、30時間にわたって安定に乳酸が生成し、その量は用いたRh錯体、NAD+、酵素の量を超えた。次に光アノードの検討を行った。これまで報告してきた水の酸化用TaON光アノードを用い、適切な助触媒の検討を行った。その結果、酸化イリジウムまたは酸化ロジウムを担持させたTaON電極を組み合わせることで、可視光照射下かつ無バイアス下で酸素と乳酸の同時生成が確認され、水を電子源にしたNADH再生系の構築に成功したといえる。