二酸化炭素を燃料に変える！新しい人工葉

・新しい構想設計の人工葉は、二酸化炭素を燃料に変えることができます

・自然の葉に比べて10倍以上の効率が期待できるそうです

・酸素を生成し、二酸化炭素を一酸化炭素に変えることができます

光合成とは、太陽光、水、二酸化炭素を酸素と炭水化物に変換する反応ですが、人工光合成の概念は新しいものではありません。人工光合成は、1912年にイタリアの化学者ジャコモ・チャミチアンが提唱したものなのです。

人工光合成システムを継続的かつ持続的に稼働させるには、燃料や化学物質を生産するために、空気や排ガスなどの希薄な供給源から二酸化炭素を常時確保する必要があります。

このようなシステムの構造は自然の葉とよく似ていますが、希薄な供給源から直接二酸化炭素を取り込むための「気孔」という重要な要素が欠けています。既存のものの中で最先端の光合成を模倣した人工葉は、大気中の二酸化炭素を削減する可能性を秘めていますが、実験室にある二酸化炭素ガスで満たされた加圧タンクの下でしか機能しません。

最近、イリノイ大学シカゴ校の化学者が、この人工葉を自然環境に導入するための解決策を発表しました。改良された新しい人工葉は、大気中の二酸化炭素を燃料に変換することができ、設計によれば天然の葉の10倍の効率があるとのことです。

人工葉の仕組み

人工葉を実際に使用するためには、空気中の二酸化炭素や石炭火力発電所から発生する排ガスを吸引できるように改良する必要があります。実は、人工葉の太陽熱利用効率は、炭素回収・変換システムの性能とその融合にかかっているのです。

大気中の二酸化炭素を効率的に集めて人工的な光合成反応を行うために、透明なカプセルを使うことができるかもしれません。カプセルで従来の人工葉を完全に覆うのです。このカプセルは、4級アンモニウム樹脂の半透膜で作られています。

膜の中は水で満たされており、日光が当たるとその水は蒸発します。水分子が膜を通って葉の裏側から蒸発すると（図の白と赤のボール）、刺激を受けた葉は、大気中の二酸化炭素（赤と黒のボール）を選択的に取り込みます。

人工光合成ユニット（葉の中央の紫色の楕円）には、特定の電極触媒を塗布した光吸収体が含まれており、二酸化炭素を一酸化炭素に変えるとともに、酸素を生成します（二重の赤いボール）。

一酸化炭素は、さまざまな合成燃料、高出力の赤外線レーザー、メタノールや酢酸など多くの有用な化合物の原料として利用されています。一方、このプロセスで生成される酸素は、蓄積することも大気中に放出することもできます。

どのようにして効率化を図るのでしょうか？

長さ170cm、幅20cmの葉っぱを360枚並べると、1日に約450kgの一酸化炭素が発生すると計算されています。この360枚の葉を0.5km四方に配置すると、1日で100m以内の周囲の空気中の二酸化炭素濃度を10％下げることができます。

このソリューションで紹介されている材料や技術は、すでに市場で入手可能です。この方法が成功すれば、環境中の温室効果ガスの量を大幅に削減することができるでしょう。