2018 Fiscal Year Annual Research Report
Carbon dioxide recycling by bioelectrolysis by formate dehydrogenase
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17K14521
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
北隅 優希 京都大学, 農学研究科, 助教 (00579302)
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2017-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 酵素電極反応 / 二酸化炭素還元 / 酸素還元 / 多孔質金電極 / ギ酸酸化 / 可逆変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酵素はタンパク質からなる生体触媒であり、温和な条件下で高い触媒活性を持つこと、また高い基質特異性を持つという特徴がある。酸化還元酵素反応と電極反応の共役系は酵素電極反応と呼ばれる。その中でも特に、酸化還元酵素と電極間で直接電子授受を行う様式の酵素電極反応を直接電子移動型の酵素電極反応と呼ぶ。本研究では二酸化炭素の関与した酸化還元反応を選択的に触媒する酵素電極反応を利用した二酸化炭素のギ酸への電気化学的な変換と、その逆反応を利用したバイオ燃料電池の実現を念頭に置き基礎的な検討を進めた。
タングステン含有ギ酸脱水素酵素はギ酸二酸化炭素対とNAD+NADH対の相互変換を可逆に触媒することが知られている。本研究において、金ナノ粒子により表面を修飾した多孔質炭素材料を電極として利用することにより、ギ酸脱水素酵素の直接電子移動型の酵素電極反応により二酸化炭素とギ酸およびNAD+とNADHの可逆変換反応が実現可能であることを見出した。二酸化炭素とギ酸の可逆な変換が可能であることは、過電圧を限界まで小さくできることを意味する。すなわち、エネルギーロスを最小にした二酸化炭素固定系の実現が可能となった。
また、バイオ燃料電池のアノードには上述のギ酸脱水素酵素固定電極が利用可能である。一方でカソードの改良を進めた。その中で、酸素の四電子還元を触媒するビリルビンオキシダーゼの直接電子移動型の酵素電極反応に注目した。ビリルビンオキシダーゼの直接電子移動型の酵素電極反応に対して、金を還元剤存在下で陽極酸化して形成した多孔質電極および金ナノ粒子により修飾した多孔質炭素材料が優れた特性を示すことを見出した。
金を陽極酸化して作成した多孔質電極は、従来の多孔質炭素材料を塗布して作成した電極と比べて電極設計の自由度が高いことから、本法を利用することにより電極形状の微細化および構造制御が実現可能となった。
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