藍藻類のタンパク質を使ったナノバイオ電極を開発、光電気化学電池へ応用 ― スイス・米国共同研究チーム

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スイスと米国の共同研究チームが、藍藻類のタンパク質を材料とする電極を開発したとのこと。水を分解して水素燃料を得る光電気化学電池(PEC: photo-electrochemical cell)への応用が期待されます。

ヘマタイトのナノ微粒子薄膜(赤色)に網状の機能性フィコシアニン(緑色)を結合させたナノバイオ電極 (Image by Dr. E. Vitol, Argonne National Laboratory)

水と二酸化炭素だけで太陽エネルギーを貯蔵可能な燃料に直接変換する光合成は、持続可能なエネルギー生成技術分野における究極目標です。自然の光合成プロセスを模倣し、PECなどのエネルギーデバイスへの適用を試みる研究はこれまで長く続けられてきました。PECは、太陽光を使って水を電気化学的に分解して水素を直接生成する技術。従来の太陽電池を用いた水の電気分解に比べて反応プロセスの短縮が可能になります。

通常、PECの電極には金属酸化物などの半導体材料が用いられており、その中には光触媒特性があることで知られている材料もあります。スイス連邦材料試験研究所(Empa)の高機能セラミック研究所は、かなり以前から水や空気に含まれる有機汚染物質の中性化用途で二酸化チタンナノ粒子の研究を行っており、今回スイス・バーゼル大学、米アルゴンヌ国立研究所とともに、藍藻類(アオコ)のタンパク質を酸化鉄と結合させたPEC用ナノバイオ電極の作製に成功。この電極は、酸化鉄単独の場合と比べて2倍の効率で水を分解できるとしています。

酸化鉄、とくにヘマタイト(α-Fe2O3)がPEC用電極材料として有望であるのは、可視光に対する感受性が高いため、二酸化チタンのように紫外線しか利用できない光触媒と比べて太陽光を有効に使えるからです。さらに、ヘマタイトは低コストであり、地球上に豊富に存在する材料でもあります。

新規電極の第2の構成要素は、フィコシアニンという藍藻類由来のタンパク質です。新規電極を設計したEmpaの研究者 Debajeet K. Bora氏は、自然界でのシアノバクテリアの光合成機構にヒントを得たといいます。シアノバクテリアの光合成では、フィコシアニンが主要な光捕獲成分となっているため、セラミックとタンパク質を使った人工光合成機構を作ろうと考えたのです。

「ヘマタイト表面をタンパク質で機能化するというコンセプトは、PECの研究ではまったく新しいものでした」とBora氏。

Bora氏が薄膜状に固定されたヘマタイトのナノ粒子にフィコシアニンを結合させると、フィコシアニンとの結合なしのヘマタイトに比べて、はるかに多くの光子が吸収されるようになりました。実際に、このハイブリッド電極では、通常の酸化鉄電極の2倍の光電流が誘導されたとしています。

光触媒作用のように腐食性のある高活性の条件下では、生体分子は完全に変性すると予想されてきました。しかし驚くべきことに、アルカリ環境下で光触媒に接触した状態で強い光照射を受けても、今回開発された光捕獲タンパク質複合体は壊れないといいます。

「光触媒は環境負荷となる有機汚染物質を分解するように設計されています。しかし、ここで起こっているのはそれとは違った状況です」とEmpa 高機能セラミック研究所の Artur Braun氏は言います。そこでは微妙なバランスが成り立っており、苛烈な光触媒作用のある条件下で破壊されずに有機分子が残るだけでなく、有機分子がセラミック光触媒に付加的効果をもたらして光電流を倍増させているようにみえます。これはPEC研究にとって大きな前進となると Braun氏は話しています。


発表資料

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