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量子ドットと人工光合成

便利で貴重な石炭、石油などの液体燃料や、天然ガスを使い続けながら、二酸化炭素(CO2)削減と石油需要の抑制を実現するには、太陽光エネルギーや自然エネルギー等の、再生可能エネルギーのみを用いて製造した、再生可能液体燃料の比率を高め、普及させていく必要があります。これらの再生可能液体燃料実現のため、バイオ燃料や人工光合成などの将来技術について、いろいろな観点から研究開発が行われています。特に、光を利用した究極のクリーンエネルギーと言われる、人工光合成の研究が、今、世界各地で進んでいます。光エネルギーを、化学エネルギーに直接変換できるのが人工光合成です。自然界での光合成を完全に模倣することは実現していませんが、部分的には技術が確立しています。従来の太陽電池では、電力貯蔵の問題が課題となっていますが、人工光合成では、化学エネルギーを生成することにより、エネルギー貯蔵が容易になります。

年の、本格的な人工光合成の研究としては、酸化チタンや酸化タングステンなどの半導体材料を使って、人工的な光触媒を行った例があります。また、マンガンクラスターが、植物が光合成で水を分解する際に触媒として働くということが分かってからは、類似物質を作って、効率的に人工光合成を実現しようという試みが行われてきています。また、紫外光だけでなく、可視光を使用する試みも多数行われてきています。

合成は、大きく2つの反応から成り立っています。前半の反応は、光を取り込んで、水を酸素と水素に分解する反応で、水素は、水素から電子を取った、水素イオンと電子に分けられます。これは水の電気分解と同じ反応を、光のエネルギーで実現していることになります。この前半の反応を、光合成の明反応と呼びます。そして、作られた酸素は、植物の場合は葉の表面から吐き出されます。後半の反応は、前半の反応で作られた水素イオンと電子の力で、空気中から取り込んだ二酸化炭素の中の、炭素から糖を作る反応です。もともと、二酸化炭素は炭素を持っているので、水素イオンと電子の力を借りて炭素を繋げ、炭素がいくつも数珠つなぎになった糖を作り出すのです。この後半の反応を暗反応と呼びます。

在、人工光合成の分野では、金属、合金、半導体、金属錯体、有機物、硫化物、窒化物などを使った研究が行われています。また他にも、酸素発生用マンガン錯体、亜鉛クロリン、さらには、ポルフィリン系の材料を人工的に模倣する研究なども進んでいます。

工光合成、光触媒反応においては、大前提として、光により励起された電子とホール対が再結合する前に、それぞれの次の反応に利用されることが必要です。つまり、光励起後の電荷分離、電荷移動などが重要となってくるわけです。この観点において、量子ドット、特に1次元に成長した量子ロッドなどの形態が、応用できる可能性があります。伝導帯と価電子帯中の、空間的な電子とホールの存在状態を、量子ドットの大きさ、化学組成によって調整することが可能になり、それによって、励起子の電荷分離、電荷移動を調整することができるからです。また、人工光合成においては、量子ドットに限らず、量子ロッドの先端や選択した場所に、白金などの金属を結合させることにより、光吸収、電荷分離、また触媒活性を調整することがよく行われています。この量子ロッドを応用したメカニズムは、太陽電池に応用する時にも有効です。なぜならば、本質的にこのヘテロ構造界面においては、励起された電子とホールが効率よく分離し、それによって再結合を抑制することができ、励起子の寿命が延びるからです。つまり、励起子のアクセプタ―やドナーに、これらの電荷担体が効率よく移動できるからです。このように量子ドット、量子ロッドを、人工光合成に応用できる可能性も広がっています。