2020 Fiscal Year Research-status Report

非生物・生物ハイブリッド人工光合成システムの構築：持続可能な酢酸生成拠点の創出

Research Project

Project/Area Number	20K20486
Allocation Type	Multi-year Fund
Research Institution	Hokkaido University
Principal Investigator	岡部聡北海道大学, 工学研究院, 教授 (10253816)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	渡辺精一北海道大学, 工学研究院, 教授 (60241353) 佐藤久北海道大学, 工学研究院, 教授 (80326636)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2022-03-31
Keywords	光電気化学太陽電池(PEC) / 複合金属ナノ酸化物半導体 / ホモ酢酸生成細菌 / 光水分解 / 酢酸生成
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、無尽蔵の太陽光エネルギーと水および不要な二酸化炭素（CO2）から有用な物質（化学エネルギー）を人工的に作りだす「非生物・生物ハイブリッド人工光合成」システムを構築することである。水の光分解を行う光電気化学太陽電池(PEC)とバイオ燃料電池（MFC）から成る「明反応系」と得られた還元力を用いてCO2を還元しホモ酢酸生成するバイオリアクター「暗反応系」を組み合わせる。従って、CO2と水を原料とし太陽光エネルギー（可視光）と廃水をエネルギー源として、常温常圧、中性条件下で酢酸（2炭素化合物）を生産可能なバイオ‐光電気化学太陽電池ハイブリッドシステムを構築する。これまでにp-n接合を有し，可視光で水を光分解する複合金属ナノ酸化物半導体ZnO/CuO の作製に成功した。さらに、ホモ酢酸生成細菌 (Sporomusa ovata) が光水分解から得られた電子（e-)を直接電極から受け取り、CO2を還元して酢酸生成を行う(電気培養) ことが可能であることを確認した。本年度は、ZnO/CuOの最適な作製条件の検討および光水分解性能の評価、S. ovataの電気培養による酢酸生成に電子供給速度 (電流) が及ぼす影響を明らかにし、Bio-PEC cellの構築の可能性を検討した。その結果、ZnO/CuOの最適な作製条件は、前処理なし・UV照射48時間が最適な作製条件であった。S. ovataは電流が1.7倍増加すると酢酸生成速度が1.9倍増加し、電流が酢酸生成速度を律速することが明らかとなった。以上よりZnO/CuOをカソードとしたH2生成とS. ovataの電気培養による酢酸生成に成功しBio-PEC cellの構築の可能性が示唆された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ZnO/CuOの最適な作製条件を見出すことができ、安定的に複合金属ナノ酸化物半導体ZnO/CuO を作製できるようになった。光半導体の水分解性能は光半導体の比表面積に依存することが明らかとなった。S. ovataの電気培養による酢酸生成速度は、電流に比例することが明らかとなった。以上により、バイオ‐光電気化学太陽電池ハイブリッドシステムを構築し、最適化する条件を見出した。
Strategy for Future Research Activity	要素技術として(1)可視光域で駆動する高性能な新規半導体光触媒ZnO/CuO接合体の合成，(2)S. ovataによる電極表面でのCO2還元活性の確認に成功した。しかしながら、Bio-PECシステムは実用化に向けて以下の問題点が存在する。現在、バイオ‐光電気化学太陽電池（Bio-PEC）ハイブリッドシステムの駆動には太陽光エネルギーだけでは不十分である。従って、バイオ‐光電気化学太陽電池ハイブリッドシステムはポテンショスタットから電力を供給している。今後は、バイオ燃料電池（MFC）により廃水処理から得られる電気エネルギーを外部電力としてBio-PECシステムへ供給できないか検討を行う。
Causes of Carryover	新型コロナウイルス感染症の拡大により、2020年4-6月頃まで実験・研究活動を自粛したため、昨年度実施する予定であった実験を本年度に行う予定である。そのために、本年度に繰り越した研究費を使用する。