エネルギー
人工光合成は水素経済を解き放つことができるか？
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自然光合成の置き換え
直接的にも間接的にも、私たちが使用するエネルギーの大部分は光合成によって生成されています。これはもちろん、私たちの体を動かすカロリーに当てはまりますが、最終的には何億年も前に死んだ植物からの「蓄えられた」光合成である化石燃料にも当てはまります。
それで、多くの取り組みが自然光合成の改善や、藻類からのバイオ燃料の創出など新たな用途への活用に捧げられています。 それを大規模に構築することは、大気中の上昇するCO2濃度を抑制する上で重要になる可能性があります。
しかし、もし生きた有機体を扱わずに光合成プロセスを模倣できたらどうでしょうか？結局のところ、光合成は必ずしも生細胞を必要としない電気化学的プロセスです。これがいわゆる「人工光合成」の約束です。
それは、太陽エネルギーの捕捉能力を光起電力（PV）よりも一段階高めることになります。光起電力は太陽光から電気を「だけ」生成し、化学反応に直接影響を与えることはできません。
日本先端科学技術大学院大学（JAIST）と東京大学の3人の研究者が、この技術を現実に一歩近づけた可能性があります。『バイオインスパイアドハイドロゲル：人工光合成に向けた高分子設計1』というタイトルでChemical Communicationsに掲載されました。
光合成はどのように機能するか？
植物において、光合成は大まかに言えば、CO2と水を取り込み、光をエネルギー源として利用し、炭水化物と酸素を生成するプロセスです。
出典: Britannica
とはいえ、これを非常に単純な化学式に還元でき、人工的に容易に再現できるようです。
出典: Britannica
実際にその過程を見ると、別の話になります。植物の光合成は実際に最も複雑な生化学的機構の一つで、数十の中間反応、無数のサブコンポーネント、そして時には十分に理解されていない電子移動を伴う分子機構が含まれます。
ブリタニカ百科事典におけるこのトピックの合成的説明は1万語にも及びます。研究者は光合成の全体像を把握するために、はるかに複雑な概念図に取り組まなければなりません。
出典: Lumen Learning
自然界では主に炭水化物を生成するために利用されますが、理論的には光をエネルギー源として使用し、水から水素を合成する（光触媒）など、他の多くの応用にも利用できる可能性があります。
水素生成のためのバイオインスパイアドハイドロゲル
自然光合成のステップの一つは水を酸素と2H+イオンに分解することです。このステップだけを再現する方が、全プロセスを模倣するよりも容易であるように思われます。日本の研究者はハイドロゲルを用いてこの課題に取り組んでいます。
彼らはルテニウム錯体や白金ナノ粒子などの機能性分子を使用し、これらが協働して自然光合成プロセスを模倣し、強力な光触媒として知られています。革新はこれらの粒子をどのように配置したかにあります：
“ここでユニークなのは、分子がハイドロゲル内でどのように組織されているかです。構造化された環境を作ることで、エネルギー変換プロセスがはるかに効率的になりました。”
Reina Hagiwara – JAISTの博士課程学生
効率の向上
ハイドロゲルを使用することのもう一つの重要な改善点は、金属粒子が凝集するのを防ぎ、プロセスの有効性が低下するのを防ぐことです。
“最大の課題は、これらの分子をどのように配置すれば電子をスムーズに転送できるかを見つけることでした。ポリマー網を使用することで、凝集を防げましたが、これは合成光合成システムで一般的な問題です。”
最終的に、従来の技術よりもはるかに効率的な光触媒が実現し、より多くの水素が生成されました。
光捕捉ゲル
効率向上のもう一つの要因は、ゲルが光を実質的に閉じ込め、目的の化学反応を駆動する可能性を高めることです。
微小ゲルの慎重な設計は、可視光の波長よりも小さい直径を作り出すよう最適化されました。これにより、白金とルテニウムの微小粒子をゲル内に組織化されたメッシュとして統合することが可能になりました。
水素革命の鍵は？
水素、あるいは水素から作られるアンモニアは、長らく世界をグリーンエネルギーで駆動する理想的な燃料として検討されてきました。
電気形態ではなく化学形態であることで、水素は緑のエネルギーをはるかに長期間蓄えることができ、輸送や重工業といった重要な用途においてバッテリーよりも化石燃料の優れた代替となり得ます。
問題は、水素を電気分解で製造することが非常にエネルギーを消費し、かつ効率が低い点です。その結果、製造に使用された緑エネルギーの大部分が無駄になり、経済性が損なわれます。
グリーン水素の効率問題は根本的に、現在の概念が多くのステップを必要とすることにあります：光 → 直流電流 → 電気分解 → 水素生成。余分なステップごとに効率が低下し、機械装置に対する資本と資源のコストが増加します。
さらに、直流電流を交流に変換し、太陽光発電所から水素合成拠点へ電力網で送電する必要がある場合、状況はさらに悪化します。
直接光触媒を用いれば、「光 → 水素生成」という中間ステップなしのプロセスに変えることができます。
次のステップ
より優れた高分子
本稿は、慎重に組織された光触媒粒子のネットワークが水素生成における画期的な変化をもたらすことを示しています。ここで使用されたハイドロゲルは、単なる足掛かりに過ぎないかもしれません。
研究者は、より高度な高分子ネットワークが設計されることを期待しています。これには、触媒成分を小さな粒子だけでなく、長く細い分子鎖として固定し、接触面積と光捕捉を増大させることが含まれます。将来的には、チューブリンや微小管などの天然超分子の利用も可能です。
水素以外の可能性
本研究は水素生成に焦点を当てましたが、太陽光で触媒できる化学反応はこれだけに限りません。
例えば、大阪の日本人研究者は、別の形態の人工光合成を用いて、重炭酸塩とバイオマス由来のピルビン酸からフマル酸を生成する方法を見つけました。
白金を超えて
多くの水素生成方法は、白金やルテニウムと同族の希少金属を使用して水分子を分解することに依存しています。これは、ハイブリッド車の人気上昇に加えて、白金への投資を正当化する理由の一つです。
同時に、白金の高コストは研究者にとってよりコスト効率の良い代替手段を探す動機となっています。
ニッケルベース電解による水素生成の進展や埋め込みスワーフによる水分割での水素生成の例をご覧ください。
これらの白金代替技術の進展は、上記のハイドロゲルと光触媒と組み合わせることで、安価な金属、ポリマー、太陽光だけを使用した極めて低コストな水素生成方法を実現できるかもしれません。
人工光合成と水素への投資
人工光合成は現在、開発途上の実験的分野です。しかし、水素経済の潜在力は十分に大きく、多くの企業がその可能性に投資する準備が整いつつあります。
多くの水素生成方法が白金に依存しているため、これは一つの選択肢です。実際、白金を実物金属として直接購入し投資することが可能で、ほとんどの貴金属バロン販売業者が白金のコインやインゴットを提供しています。白金のジュエリーも選択肢の一つです。
取引可能な実物白金の在庫は、abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT)やGraniteShares Platinum Trust (PLTM)でもアクセスできます。
多くのブローカーを通じて水素関連企業に投資でき、securities.ioでは、米国、カナダ、オーストラリア、英国、そしてその他多数の国々における最高のブローカーに関する推奨リストをご覧いただけます。
特定の水素関連企業を選びたくない場合は、白金関連としてVanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX)や、水素に焦点を当てたETFとしてGlobal X Hydrogen ETF (HGEN)、VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO)を検討できます。これらは水素をエネルギー源として活用する可能性に対する、より分散されたエクスポージャーを提供します。
水素企業
BLDP 価格チャート
BLDP 価格チャート
Ballardは燃料電池メーカーで、1993年に初の燃料電池バスを導入した技術の先駆者です。
同社は重機市場に注力しており、バス、トラック、列車/路面電車、船舶、鉱業/建設、電力分野を対象としています。バスが事業の中心である一方、2025年までにトラックが主要な事業セグメントになると見込んでいます。また、欧州が主要市場（50-60%）で、次いで北米（25%）が続くと予想しています。
トラック用燃料電池は成長を続け、2030年には75億ドル規模（総市場規模1950億ドルから）になると予測されており、他の水素/燃料電池用途を合わせた規模にほぼ匹敵します。
出典: Ballard
高出力と迅速な充電が必要なため、重機車両は自動車などの軽車両に比べて水素と燃料電池の採用に適しています。
また、鉄道の架線や長距離輸送の高速充電の必要性も低減します。
出典: Ballard
同社はアンモニアにも馴染みがあり、例えば最近の契約で、Amogyの「独自のアンモニア分解技術に依存するアンモニア・トゥ・パワー・プラットフォーム」向けに燃料電池を提供しています。
電気自動車は自動車市場を迅速に席巻する可能性がありますが、重機車両の脱炭素化はより困難です。
同セクターで確立されたリーダーシップを持つBallardは、水素経済への政策推進の主要な受益者となるでしょう。
燃料電池への注力により、同社は白金の有無や光触媒の有無に関わらず、どのような水素生成技術のコスト削減からも恩恵を受けられます。
研究参考文献：
1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). バイオインスパイアドハイドロゲル：人工光合成に向けた高分子設計. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C
