広報活動

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2014年6月30日

独立行政法人理化学研究所
国立大学法人東京大学

中性の水から電子を取り出す「人工マンガン触媒」を開発

-水を電子源とした燃料製造に前進-

アルカリと中性環境における水分解特性の比較図

アルカリと中性環境における水分解特性の比較

水分子はクリーンで、かつ豊富に存在する電子源(化学物質に電子を与える反応を行うための還元剤)であり、水素や有機燃料の製造に重要な化学資源です。自然界では、植物など光合成を行う生物が、マンガンを含む酵素を利用して自ら電子を取り出し、二酸化炭素からブドウ糖や脂肪酸などの炭水化物を作り出しています。従来から、植物の水を分解する酵素の構造をまねて、水から効率よく電子を取り出す「人工マンガン触媒」の研究・開発が行われてきました。しかし、人工マンガン触媒は、強酸や強アリカリ環境では効率よく水から電子を取り出せますが、中性の環境ではこの活性が大きく低下します。人工マンガン触媒がどうして中性環境で働かないのか、また、生体マンガン酵素と人工マンガン触媒の違いは何か、などについては、これまで不明のままでした。そこで理研と東京大学の共同研究グループは、植物の光合成/水分解の仕組みを利用し、中性の水を分解して電子を取り出すことが可能な人工マンガン触媒の開発に挑みました。

共同研究グループは、「生体マンガン酵素と人工マンガン触媒の活性の違いは、人工マンガン触媒の電子/プロトン輸送の機構が違うことにあるのではないか」との仮説を立てました。まず、人工マンガン触媒の電子/プロトン輸送の経路をさまざまな水素イオン指数の環境下で調べました。その結果、水分解過程(2H2O→O2+4e+4H)においては、生体マンガン酵素では電子とプロトンが同時に移動するのに対し、人工マンガン触媒では、電子がプロトンに先行して移動することを突き止めました。これをもとに、研究グループは、人工マンガン触媒にプロトン受容能力が大きい塩基を添加し、水分解反応活性への効果を検討しました。その結果、添加した塩基のプロトン受容能力が高くなるにつれ電流値が大きくなり、電流がより低い電位から流れることが分かりました。これは、中性の水を分解して電子を取り出せることを示します。最も高いプロトン受容能力をもつ塩基が存在する環境では、塩基が存在しない場合と比べて水分解活性が最大15倍増大し、強アルカリで得られる値の60%にも達しました。これにより、電子とプロトンの移動のタイミングを調整すれば、酸化マンガンを使って中性の水を分解し、電子を取り出せることが分かりました。

今回の成果は、豊富な中性の水を電子源とした水素の製造や低環境負荷の有機燃料製造につながると期待できます。

理化学研究所
環境資源科学研究センター 生体機能触媒研究チーム
チームリーダー 中村 龍平 (なかむら りゅうへい)