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【人工光合作用】(下)“催化剂”的三个研究方向

导读: 现在出现了三个研究方向。第一个是直接使用“植物功能”的方法,第二个是使用“金属络合物”作为催化剂的方法,第三个则是使用“半导体”作为催化剂的方法。

     简单用一句话概括人工光合作用的研究,就是寻找氧化水的催化剂,和还原二氧化碳的催化剂。而且,关键在于催化剂可利用的对象是占阳光所有波长40%以上的“可见光”,而不是只占不到2%的“紫外线”。

  在传统的光合作用中,发挥催化剂作用的物质之一,是含有叶绿素的光反应中心。而天然光反应中心的原理令人惊叹,人工根本无法模仿。要想通过人工方式,达到生物在近30亿年的进化中掌握的“绝技”,并不是一件容易的事情。

  因此,现在出现了三个研究方向。第一个是直接使用“植物功能”的方法,第二个是使用“金属络合物”作为催化剂的方法,第三个则是使用“半导体”作为催化剂的方法。

  第一个方法“直接使用植物功能”是让植物直接完成能源转换效率较高的光反应。比方说,提取植物叶片的类囊体膜,夹在透明薄板中,向薄板照射阳光,从水中夺取电子。而植物能源转换效率较低的暗反应则由人工进行。

  但这种方法的弱点是难以维持性能。活体植物的反应中心每30分钟再生1次,而这种方法无法实现组织的再生。

  第二个方法“使用金属络合物作为催化剂”最接近传统的光合作用。金属络合物是指在结构上以金属为中心,周围环绕碳、氢等非金属原子的化合物。我们血液中含有的血红蛋白是以铁为中心的金属络合物,在光合作用中充当催化剂的叶绿素是以镁为中心的金属络合物。

  日本首都大学东京人工光合作用研究中心特聘教授井上晴夫长年从事的也是金属络合物研究。1987年,井上使用以锑、锡等金属为中心的金属络合物,成功利用可见光,从水中夺取了电子。但在当时,水中还添加了促进反应的有机物。而现在,井上正致力于设计不加入添加物,只用水即可反应的金属络合物。

  另一方面,氧化水产生氧气最少需要从水中夺取4个电子,而在通常情况下,夺取1个电子需要1个光子。但迄今为止,这种方法一直存在一个问题,就是在完成夺取4个电子之前,金属络合物就会丧失作为催化剂的活性。针对这个问题,井上开发出了1个光子1次可以夺取2个电子的方法。通过采用这种方法,就向使用金属络合物实现人工光合作用迈进了一大步。

  第三个方法“使用半导体作为催化剂”是人工光合作用研究的先驱,上篇介绍的本多藤岛效应就是其代表事例。这种方法的原理是,向水中的半导体氧化钛照射光线后,氧化钛就起到催化剂的作用,使水完全分解,产生氢气和氧气。像这样通过照射光线发挥催化剂作用的物质叫作“光催化剂”。

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