2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of artificial photosynthesis system based on hybrid system with visible-light-driven semiconductor photocatalyst and bio-catalyst
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21K05245
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University |
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Principal Investigator |
東 正信 大阪公立大学, 人工光合成研究センター, 特任准教授 (10711799)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 人工光合成 / NADH再生 / 光触媒 / 生体触媒 / 光電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
最終目標である適切な酸素生成系の導入による、水を電子源とした半導体光触媒と生体触媒によるハイブリッド型人工光合成系の構築を達成したため。ただ、まだ論文発表ができていないため早急に行う。
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| Strategy for Future Research Activity |
CuInS2光カソードおよびTaON光アノードを用いることで、水を電子源にしたNADH再生系の構築が可能となったため、他の生体触媒反応、例えばギ酸脱水素酵素を用いた二酸化炭素からのギ酸生成を行う。
また、TaON光アノードにおいて助触媒の検討を行ったところ、助触媒の種類によって系全体の活性が変わり、TaON光アノードのオンセット電位が負側であるほど高活性であった。この結果より、TaONの伝導帯位置より負側の伝導帯位置を有する複合型酸窒化物（CaTaO2Nなど）の検討を行う。
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| Causes of Carryover |
ガラス工作を外注せずに本学で作製できるため、当初予定額より少なく済んだ。最終年度である翌年度は効率よく実験を進められるるための物品購入また発表に使う。
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