中性の水から電子を取り出す「人工マンガン触媒」を開発 －水を電子源とした燃料製造に前進－

中性の水から電子を取り出す

「人工マンガン触媒」を開発

－水を電子源とした燃料製造に前進－

014年6月30日

独立行政法人理化学研究所

国立大学法人東京大学

詳細は、リンクを参照して下さい。

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　水分子はクリーンで、かつ豊富に存在する

電子源（化学物質に電子を与える反応を行う

ための還元剤）であり、水素や有機燃料の

製造に重要な化学資源です。

　自然界では、植物など光合成を行う生物

が、マンガンを含む酵素を利用して自ら

電子を取り出し、二酸化炭素からブドウ糖

や脂肪酸などの炭水化物を作り出して

います。

　従来から、植物の水を分解する酵素の

構造をまねて、水から効率よく電子を

取り出す「人工マンガン触媒」の

研究・開発が行われてきました。

　しかし、人工マンガン触媒は、強酸や

強アリカリ環境では効率よく水から電子を

取り出せますが、中性の環境ではこの活性

が大きく低下します。

　人工マンガン触媒がどうして中性環境で

働かないのか、また、生体マンガン酵素と

人工マンガン触媒の違いは何か、など

については、これまで不明のままでした。

　そこで理研と東京大学の共同研究

グループは、植物の光合成/水分解の仕組み

を利用し、中性の水を分解して電子を

取り出すことが可能な人工マンガン触媒の

開発に挑みました。

　共同研究グループは、

「生体マンガン酵素と人工マンガン触媒の

活性の違いは、人工マンガン触媒の

電子/プロトン輸送の機構が違うことにある

のではないか」との仮説を立てました。

　まず、人工マンガン触媒の電子/プロトン

輸送の経路をさまざまな水素イオン指数の

環境下で調べました。

　その結果、水分解過程

（2H2O→O2＋4e－＋4H＋）においては、

生体マンガン酵素では電子とプロトンが

同時に移動するのに対し、人工マンガン触媒

では、電子がプロトンに先行して移動する

ことを突き止めました。

　これをもとに、研究グループは、

人工マンガン触媒にプロトン受容能力が

大きい塩基を添加し、水分解反応活性への

効果を検討しました。

　その結果、添加した塩基のプロトン受容

能力が高くなるにつれ電流値が大きくなり、

電流がより低い電位から流れることが分かり

ました。

　これは、中性の水を分解して電子を

取り出せることを示します。

　最も高いプロトン受容能力をもつ塩基が

存在する環境では、塩基が存在しない場合

と比べて水分解活性が最大15倍増大し、

強アルカリで得られる値の60%にも

達しました。

　これにより、電子とプロトンの移動の

タイミングを調整すれば、酸化マンガン

を使って中性の水を分解し、電子を取り

出せることが分かりました。

　今回の成果は、豊富な中性の水を電子源

とした水素の製造や低環境負荷の有機燃料

製造につながると期待できます。

報道発表資料

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　良さそうですね。

　最近燃料電池車が注目を浴び始めて

いますが、肝心な水素の製造に大電力

が必要なら環境に優しいと言うのが嘘に

なる。

　その点、今回の成果は触媒反応により

水素を得ることができるということなので

大いに期待したい。