子どもの疑問が国を挙げたエネルギー事業に
小学4年生のとき、光合成について学んでいたオン・ウィージュンは、素朴な疑問を抱いた。植物のように太陽光を利用して、現代の暮らしに必要なエネルギーを生み出せないだろうか。その好奇心が生涯の研究テーマとなった。現在、このマレーシア人科学者はナノサイエンスと触媒の技術を用い、同じ原理を追究している。太陽光のエネルギーをクリーン燃料の化学結合に蓄える研究だ。
目次
オン教授はマレーシア厦門大学の副学部長で、ナノエネルギー・触媒技術卓越研究センター（CONNECT）の創設所長を務める。同教授と研究チームは、光合成の重要な過程を模倣する人工葉を設計している。装置ではクロロフィルの代わりに、エネルギーを豊富に含む分子を作り出すよう設計されたナノ材料を使う。
CONNECTでは、水からの水素生成、CO2からのメタノールなどの化学物質の製造、廃プラスチックからの燃料生成を研究している。長期的には、太陽光を利用するモジュール式の水素製造施設を整備し、地方の地域社会に電力を供給する構想を掲げる。最先端の科学を日常のニーズにつなげることを目指している。
人工光合成の仕組み
人工光合成は、光を吸収する材料と触媒を使い、太陽光を化学エネルギーに変換する。装置が光子を吸収すると、移動可能な電荷が生まれ、その電荷を利用して水を分解したり、二酸化炭素を還元したりする。生成されるのは、太陽が出ていないときにも貯蔵、輸送、利用できる燃料だ。
水の分解では、一方の反応で酸素が放出され、もう一方で水素が生成される。半導体がエネルギーを供給し、触媒がそれぞれの反応に必要な障壁を下げる。水素は燃料電池のエネルギー媒体となるほか、アンモニア製造、製鉄、石油精製に使うクリーンな原料にもなる。
CO2を燃料に変える場合も、基本的な仕組みは同じだ。用途に合わせた触媒が電子の働きを制御し、CO2を一酸化炭素、ギ酸、メタノールへと変換する。装置には、粉末状の光触媒、光吸収電極を備えた光電気化学セル、再生可能電力で駆動する電気触媒システムなどがある。目標は、いずれも高効率かつ妥当なコストで安定して稼働させることだ。
研究室の成果からマレーシアの実プロジェクトへ
CONNECTは産業界や政府との連携を通じて、発見を実用化につなげている。2024年8月、マレーシア厦門大学は、オン教授が100万リンギットを超えるPETRONASの学術連携対話助成金を獲得したと発表した。このプロジェクトでは、太陽光を利用する人工光合成により、陸上のガスターミナルでフレア燃焼から発生するCO2を有用な化学物質に変換することを目指す。産業活動に伴う排出源に直接取り組む計画だ。
PETRONASのプログラムでは、25大学から応募のあった588件のうち61件が採択された。CONNECTにとってこの助成は、2026年半ばの完成を目指す太陽光水素製造システムの試作機、温室効果ガスの削減を目的に設計した触媒、パーム油廃棄物をグラフェンやグリーン水素に変える技術などを含む研究を後押しするものだ。こうした取り組みに共通するのは、有望なナノ触媒を管理された実験室での試験から、屋外で稼働する堅牢な装置へと移行させるという目標だ。
触媒の中で起きる反応
人工光合成は、光を吸収する材料、電荷を分離した状態に保つ構造、反応を速く選択的に進める触媒活性部位の3つを柱とする。CONNECTの研究では、二次元材料、機能的な接合構造、地球上に豊富にある元素を使った表面活性部位を組み合わせ、これらの柱を築いている。
二次元材料とヘテロ構造
グラフェンに似た炭素シートから遷移金属ジカルコゲナイドまで、二次元材料は電荷が移動する極薄の経路となる。一枚の2Dシートを別のシートに重ねると広い界面ができ、電子と正孔を効率よく分離できる。水の分解やCO2の還元に適したバンドエネルギーを持つ材料を組み合わせることで、希少元素に頼らずに効率を高められる。このような2D材料同士のヘテロ構造が研究されている。
ZスキームとSスキームによる電荷移動
自然界の光合成では、しばしばZ字型で表される2段階の光反応によって、高エネルギーの電荷が生み出される。人工装置では、ZスキームやSスキームの設計でこの仕組みを模倣する。2種類の光吸収体をつなぎ、還元力と酸化力が最も強い電子と正孔だけを残して、より弱い電荷は互いに打ち消し合わせる。最も活性の高い電荷を保つことで、難しい反応を促し、副反応を抑えやすくなる。
金属炭化物とMXene材料
MXeneを含む遷移金属炭化物は、高い導電性と調整可能な表面特性を併せ持つ。光吸収体、または重要な反応段階を速め、選択性を導く表面助触媒として利用できる。MXeneは、層状前駆体をエッチングして導電性シートを作る。合成方法によって決まる表面官能基は、分子の吸着や電荷の移動に影響する。これは安定かつ効率的な太陽光燃料の製造に欠かせない。
光と高度な化学で廃棄物を価値に変える
プラスチックは利便性をもたらす一方で、廃棄物問題も引き起こす。光触媒や電気触媒を使ったアップサイクルは、狙いを定めた化学反応でこの問題に取り組む。光または再生可能電力の下で、触媒が長いポリマー鎖を分解し、ギ酸塩、酢酸塩、アルコール、水素などの有用な分子に変える。CONNECTはこの手法を農業残渣にも応用している。マレーシアのパーム油産業からは炭素を多く含む廃棄物が生じ、グラフェンやグリーン水素に転換できる。同グループは、バイオメタンからグラフェンと水素を製造する技術に関する特許を取得したと報告している。廃棄物を材料やエネルギーの原料に変えられることを示す成果だ。
水から水素を作り、実験台から現場へ
太陽光で水素を作るという発想は単純に聞こえるが、屋外で装置を稼働させるのは難しい。装置には、光を効率よく捉え、水を分解し、水素と酸素を分離したうえで、暑さや雨、ほこりにさらされながら数カ月間耐えることが求められる。CONNECTは屋外環境で試験するため大型の試作機を開発しており、光触媒と光電気化学を組み合わせた太陽光水素製造装置を2026年半ばまでに稼働させることを目指している。
実用規模への拡大では、主に2つの課題がある。太陽光から水素への変換効率を高めながら、材料費を抑えなければならない。実用上の目安として効率10％を挙げる専門家は多いが、コストは設置場所によって異なる。もう一つの課題は耐久性だ。触媒は酸素や強い光にさらされると劣化することがある。海水には塩化物イオンが含まれ、腐食や塩素の発生を招く可能性がある。研究チームは保護層や選択透過膜を導入し、水素と酸素だけが生成されやすい反応条件を整えることで対応している。
マレーシアと地域にとっての意義
マレーシアは2050年までの温室効果ガス排出実質ゼロを目指しており、新たなクリーン燃料の開発と、炭素のより賢い利用が求められている。人工光合成は、国の複数の優先課題に結びつく。水素は再生可能エネルギーを補完し、産業の排出削減に役立つ。フレア燃焼や製造工程から出るCO2を原料に変えれば、廃棄物に価値を生み出せる。プラスチックやバイオマス廃棄物の有効利用は、埋め立て処分の負担と輸入化石資源への依存を軽減する。モジュール式の太陽光燃料製造装置は、送電網の拡張が遅れている遠隔地で、学校や診療所、小規模事業者を支える可能性がある。
連携、人材、デジタル技術が研究を加速
CONNECTはPETRONASの研究部門や国の技術プログラムとの連携を進め、化学、材料、工学、データサイエンスの知見を融合させている。密度汎関数理論と機械学習を使い、候補となる何千もの触媒を絞り込んでから一部を実験室で合成することで、時間とコストを節約できる。オン教授は増え続ける大学院生や博士研究員を指導している。「高被引用研究者」や「世界の上位2％の科学者」への選出は研究の影響力を示す一方、目標は実用的なものだ。マレーシアの環境下でクリーン燃料を安定して作る装置の実現である。
残る課題
人工光合成は、電解装置によるグリーン水素の生産拡大に取って代わるのではなく、補完する技術となる可能性が高い。実用規模への拡大には、効率の向上、耐久性の改善、補機設備コストの削減、安全なガス処理の設計がなお必要だ。CO2変換では、分離が必要な複数の生成物が混在することが多い。プラスチックのアップサイクルには、品質が安定した原料と選択性の高い触媒が求められる。2026年の試作機とPETRONASのプロジェクトで得られる現場データは、同技術がマレーシアのエネルギー転換においてどこで最も有効かを判断する材料となる。
要点
- オン・ウィージュン教授はマレーシア厦門大学のCONNECTを率い、人工光合成とナノ触媒の研究に取り組んでいる。
- 研究チームは、水からの水素生成、CO2からのメタノールなどの製造、光触媒または電気触媒によるプラスチックのアップサイクルを研究している。
- 2024年8月に獲得した100万リンギット超のPETRONAS助成金は、陸上のガスターミナルでフレア燃焼から発生するCO2を太陽光で変換するプロジェクトを支援する。
- マレーシアの屋外環境で性能を試験する太陽光水素製造システムの試作機は、2026年半ばの完成を目指している。
- 研究では、二次元ヘテロ構造、Zスキームによる電荷移動、MXeneなどの金属炭化物を活用している。
- 海水からの水素製造研究では、塩化物による腐食や選択性の問題に取り組み、塩素の発生を防ぐことを目指している。
- 産業界との連携に加え、密度汎関数理論と機械学習を活用し、触媒の発見を加速させている。
- 研究はマレーシアの2050年排出実質ゼロ目標に沿うもので、地方のエネルギーアクセス改善にも貢献する可能性がある。
