向自然學(xué)習(xí)，構(gòu)筑未來，挑戰(zhàn)人造光合成     特輯令和2年版科學(xué)技術(shù)白皮書

文部科學(xué)省6月總結(jié)的《科學(xué)技術(shù)白皮書》未來預(yù)測特輯。 在所描繪的2040年社會中，有可能成為能源技術(shù)亮點(diǎn)的是“人工光合成”。 學(xué)習(xí)植物的光合作用結(jié)構(gòu)，制造對人類有用的物質(zhì)的熱情的工作，日本引領(lǐng)著研究。 多年來，在一線擔(dān)任旗手的專家極力主張:“為人類擺脫地球資源的采集一邊倒，生存做出貢獻(xiàn)?！?/span>

“地球擺脫吞噬的終極答案” 白皮書的特集，以該省科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)政策研究所( NISTEP，NISTEP )的“科學(xué)技術(shù)預(yù)測調(diào)查”(后段為“專欄”)為中心進(jìn)行了介紹。 在該調(diào)查中，人工光合成作為“通過二氧化碳還原進(jìn)行再資源化(合成燃料和化學(xué)原料)的能源效率在20%以上成為可能”添加了進(jìn)來。 2036年是在研究水平上具有技術(shù)前景的“科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)期”，2039年是可以利用產(chǎn)品和服務(wù)的“社會實(shí)現(xiàn)時(shí)期”。 定位為聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)( SDGs )提出的17個(gè)目標(biāo)之一“為大家和清潔能源”做出貢獻(xiàn)的技術(shù)。 人造光合成研究的第一人、東京都立大學(xué)特別先導(dǎo)教授井上晴夫先生講述了其重要性。 人類一直以采集煤炭、石油、天然氣等化石能源進(jìn)行消費(fèi)的“地球的吃貨”生活著。 結(jié)果，持續(xù)釋放二氧化碳等溫室氣體，面臨著氣候變化的擔(dān)憂。 在這種情況下，人工光合成不產(chǎn)生二氧化碳，或者說可以利用來獲得有用物質(zhì)，這是最終的答案?！?井上先生在科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)( JST )的戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進(jìn)事業(yè)個(gè)人型研究(先驅(qū))“光能和物質(zhì)變換”( 2009?16年度)中擔(dān)任研究總結(jié)等，主導(dǎo)了許多有關(guān)人工光合成的大規(guī)模研究。

那么人工光合成是什么？ 你還記得在學(xué)校學(xué)過“光合作用”吧。 這是植物從大氣中吸收二氧化碳，從根部吸水，利用葉子等細(xì)胞中的“葉綠體”利用太陽光的能量制造淀粉等碳水化合物，發(fā)出氧氣的反應(yīng)。 碳水化合物成為植物的身體和營養(yǎng)。 人造光合成是人類學(xué)習(xí)它，提取有用物質(zhì)的技術(shù)。 井上先生說:“但是，實(shí)際進(jìn)行的研究并不一定要忠實(shí)地模仿植物，而是要更加廣泛。” 據(jù)說人工光合成的條件是以下三個(gè)要素。 (1)使用占太陽光多數(shù)的可見光，(2)以水為原料，(3)將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，制造有用的物質(zhì)。 在這里，充分利用本身不發(fā)生變化，促進(jìn)其他物質(zhì)反應(yīng)的物質(zhì)“催化劑”等。 產(chǎn)生的物質(zhì)在植物的光合作用中是碳水化合物。 但是，在人工光合成中，制造氫氣、過氧化氫、一氧化碳等其他物質(zhì)并加以利用是現(xiàn)實(shí)的。

人工光合成的結(jié)構(gòu)

有時(shí)將通過吸收太陽光等光而工作的催化劑稱為“光催化劑”。 夢想著實(shí)用化，為催化劑開發(fā)而奮斗

為了開發(fā)高效地利用光、產(chǎn)生有用物質(zhì)的催化劑，研究者們持續(xù)著各種各樣的奮斗。 代表性的例子是半導(dǎo)體的催化劑。 今年5月，新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)( NEDO )等國內(nèi)的研究小組宣布，雖然不是可見光而是紫外線，但開發(fā)出了幾乎100%利用光分解水的半導(dǎo)體。 以前甚至達(dá)到50%以上都很少見。 作為開辟卓越催化劑開發(fā)道路的劃時(shí)代成果，震驚了世界。 如果再詳細(xì)觀察一下植物的光合作用，可以說是具有負(fù)電性質(zhì)的粒子“電子”移動的現(xiàn)象。 受到光的能量，水放出電子，分解成氫和氧。 放出的電子起作用，以復(fù)雜的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以氫和二氧化碳為基礎(chǔ)生成碳水化合物。 據(jù)說正在學(xué)習(xí)人工光合成中即使不制造碳水化合物，電子也可以利用光能移動的結(jié)構(gòu)。 不僅僅是半導(dǎo)體，將金屬離子與各種分子和離子結(jié)合而成的“絡(luò)合物”用作催化劑的研究也很活躍。 井上先生的研究小組的目標(biāo)是，為了從水中提取光合作用的電子，開發(fā)出擅長吸收光的絡(luò)合物。 到2017年，通過使用常見的金屬鋁實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，備受矚目。 由于可以有效地產(chǎn)生在殺菌、消毒、清洗等方面被廣泛利用的過氧化氫，因此似乎可以得到廣泛的利用。

將鋁的絡(luò)合物作為人工光合成的催化劑使用，進(jìn)行分解水的實(shí)驗(yàn)的情況(井上提供)

容易利用進(jìn)行光合成的生物進(jìn)行改變的研究也在進(jìn)行。 以上只是努力的一小部分，什么樣的技術(shù)具體有前途，據(jù)說還無法確定。

作為“人工光合成面板”氫社會的王牌 被認(rèn)為是人造光合成的有力利用形式的是“人造光合成面板”。 表面固定催化劑，用太陽光分解水，產(chǎn)生的氫用于燃料等。 看起來好像會變成太陽能電池板。 這樣的話，氫氣生產(chǎn)時(shí)不使用化石燃料，即使作為燃料使用也會與氧氣反應(yīng)回到水中，所以不會產(chǎn)生有問題的廢棄物。 建造排列面板的工廠，生產(chǎn)氫氣。 如果讓氫氣與二氧化碳反應(yīng)，就可以制造塑料和藥品原料“甲醇”“烯烴”等有用的物質(zhì)。 這樣一來，制造業(yè)等將被譽(yù)為減排的二氧化碳反過來作為資源加以利用，出現(xiàn)了革命性的轉(zhuǎn)變。 井上先生說:“提倡二氧化碳的排出和吸收等量，扣除零的'碳中和’，但是只要利用大氣中的二氧化碳，別說是中性，就連碳減少都實(shí)現(xiàn)了。” 近年來，用氫氣發(fā)電和發(fā)熱的“燃料電池”在一般家庭中也得到普及。 該氫氣不是由城市煤氣等化石燃料提供，而是由貼在屋頂?shù)娜斯す夂铣擅姘逄峁?，這一點(diǎn)也很有可能。 對燃料電池車( FCV )的利用也備受期待。 以上是創(chuàng)意的一部分。 似乎是開辟日本率先推進(jìn)的“氫社會”道路的王牌。

人造光合成的活用實(shí)例

10月，菅義偉首相在國會發(fā)表表明信念的演說，宣言“以實(shí)現(xiàn)碳中和、脫碳社會為目標(biāo)”，并宣布到2050年國內(nèi)溫室氣體排放將實(shí)際為零。 井上先生強(qiáng)調(diào):“人工光合成對此有很大的貢獻(xiàn)?！? 技術(shù)提煉十年后，現(xiàn)在多樣性很重要

10月，菅義偉首相在國會發(fā)表表明信念的演說，宣言“以實(shí)現(xiàn)碳中和、脫碳社會為目標(biāo)”，并宣布到2050年國內(nèi)溫室氣體排放將實(shí)際為零。 井上先生強(qiáng)調(diào):“人工光合成對此有很大的貢獻(xiàn)。”

研究人員用“能量轉(zhuǎn)換效率”來表示光合作用的性能。 這是用于求出作為太陽光照射下來的全部能量能夠轉(zhuǎn)換并蓄積多少的指標(biāo)。 據(jù)悉，植物大多不到1%，但在人造光合成中，如果是不考慮成本的實(shí)驗(yàn)水平，則已經(jīng)達(dá)到1%多。 井上先生說:“2030年通過實(shí)驗(yàn)達(dá)到10%的勢頭?！? 研究人員們的目標(biāo)是2050年人工光合成向社會普及。 為此，30年左右有必要縮小有力的技術(shù)，40年開始基礎(chǔ)設(shè)施的整備。 井上先生說:“目前還不能提煉技術(shù)，所以研究的多樣性很重要。 比如說登山，到什么時(shí)候?yàn)橹惯M(jìn)度的目標(biāo)很重要，但是如果早早決定了登山路線，在那個(gè)路線不能通過的情況下就無法前進(jìn)了?！?/span>

對于白皮書介紹的“在2036?39年達(dá)到效率20%以上”的預(yù)測，“是相當(dāng)高的目標(biāo)。 必須要國家、研究者、國民做好心理準(zhǔn)備，做好態(tài)勢”。 據(jù)說，在已經(jīng)作為可再生能源而熟知的太陽能發(fā)電中，效率10%左右的太陽能電池板正在普及。 不過，井上先生說，為了蓄積日照時(shí)發(fā)電的電力，需要電池，其重量等是實(shí)用上的課題。 與此相對，氫氣的話容易儲藏。 另外，太陽能發(fā)電的話，氫氣的生產(chǎn)需要一次發(fā)電，用其電力電解水的2個(gè)階段的工序。 據(jù)說人工光合成的一個(gè)階段，包括系統(tǒng)構(gòu)筑成本在內(nèi)的整體效率似乎會更高。 將太陽能發(fā)電和人工光合成的技術(shù)相結(jié)合，也將成為有力的選擇。

研究先驅(qū)的日本，為世界做出貢獻(xiàn) 日本在1967年發(fā)現(xiàn)了用光照射氧化鈦會分解水的“本多藤島效應(yīng)”，從而開創(chuàng)了人工光合成研究的先鞭。 闡明植物光合作用所需的蛋白質(zhì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)也是日本發(fā)明的成果。 據(jù)說處于世界領(lǐng)先地位，研究者也很多。 “只是瑞典、美國等在努力，中國也在追趕上。 如果日本不努力為世界做出貢獻(xiàn)的話。 歡迎優(yōu)秀的年輕人才” 持續(xù)站在最前線的井上先生說:“不管怎么說，SDGs能夠?yàn)槿祟惖纳孀龀鲐暙I(xiàn)，這是這項(xiàng)研究有趣的地方。 陽光不論程度如何，都灑在地上的任何地方。 人類歷史上一直在爭奪資源，但只要自己這里能獲取的東西足夠了，就沒有紛爭，就能成為真正的安全保障吧?！?/span>

專欄:“預(yù)測調(diào)查”從國民和專家的呼聲中展望未來 加入人工光合成實(shí)用化的科學(xué)技術(shù)預(yù)測調(diào)查，科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)政策研究所為了對政府的科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃的擬定等有幫助，約每5年進(jìn)行一次。 這次加入科學(xué)技術(shù)白皮書的是去年11月公布的第11次調(diào)查。 在整理了眾多國民的討論和研究者的認(rèn)識后，可以展望未來社會，似乎誰都會引起興趣。

調(diào)查于1971年度實(shí)施。 此次統(tǒng)計(jì)的該研究所高級研究員赤池伸一解釋說:“當(dāng)初的性格是'猜中’未來的科學(xué)技術(shù)，從2000年左右開始發(fā)生了很大的變化，變成了從與社會需求的關(guān)系進(jìn)行捕捉，整理專家和國民認(rèn)識的方式?！?在其性格上，似乎成為了理想的社會中存在的價(jià)值。 2015年上次調(diào)查后，馬上開始了這次的工作。 為了描繪理想社會的未來，以世界、日本社會、地區(qū)的未來為主題，迎接市民和海外的評論者，在各地召開了研討會。 抽出了“誰都是創(chuàng)造者社會”“無國界社會”等日本社會的50個(gè)未來像。 另一方面，經(jīng)過74名專家的討論，設(shè)定了今后研究開發(fā)的702個(gè)課題。 對各領(lǐng)域的研究者們進(jìn)行了詢問各自的重要度、實(shí)現(xiàn)時(shí)間等的問卷調(diào)查。 為了讓他們對問卷有信心地進(jìn)行回答，采用了要求每人回答兩次的方法“德爾斐調(diào)查”。 第一次有6697人回答，第二次有5352人回答。 整理這些的結(jié)果，形成了“基于人性復(fù)興重新考慮的靈活社會”的基本方案。 文部科學(xué)省在將調(diào)查結(jié)果加入白皮書的時(shí)候，獨(dú)自制作了大型插圖。 用愉快的筆觸描繪了2040年的人們在街角和生活到處享受遠(yuǎn)程治療、即時(shí)災(zāi)害預(yù)測、高級農(nóng)業(yè)機(jī)器人等38個(gè)夢想的技術(shù)和服務(wù)的情景。

被載入科學(xué)技術(shù)白皮書的“2040年的社會形象”的插圖(文部科學(xué)省提供) 放大圖在這里

據(jù)悉，調(diào)查結(jié)果不僅用于行政方面，還被企業(yè)用于掌握技術(shù)動向、選擇年輕人的道路上。 赤池先生說:“請國民加深對科學(xué)技術(shù)的理解和關(guān)心也是調(diào)查的重要目的。

井上晴夫 東京都立大學(xué)研究生院城市環(huán)境科學(xué)研究科環(huán)境分子應(yīng)用化學(xué)域特別先導(dǎo)教授 1972年完成東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科碩士課程。 曾任東京都立大學(xué)副教授等職，91年教授，2005年首都大學(xué)東京教授。 歷任東北大學(xué)客座教授、美國佛羅里達(dá)大學(xué)客座教授、首都大學(xué)東京人工光合成研究中心主任等職。 12年特聘教授，18年特別先導(dǎo)教授，20年現(xiàn)任。 研究主題為人工光合成系統(tǒng)的構(gòu)建、化學(xué)反應(yīng)能共軛等。

赤池伸一 文部科學(xué)省科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)政策研究所高級研究員 2008年完成東京工業(yè)大學(xué)研究生院社會理工學(xué)研究科博士課程。 曾任1992年科技廳入廳、文部科學(xué)省、駐瑞典大使館、科技振興機(jī)構(gòu)研究開發(fā)戰(zhàn)略中心副中心長助理、一橋大學(xué)教授、科技學(xué)術(shù)政策研究所科技預(yù)測中心主任等職，18年現(xiàn)職。 研究主題為科技預(yù)測、科技創(chuàng)新政策等。