太陽光でCO2を資源へ—希少金属に頼らない人工光合成に挑む

石谷 治（いしたに　おさむ）　国立大学法人 広島大学大学院 先進理工系科学研究科 化学プログラム　特任教授
鴨川 径 （かもがわ けい）　国立大学法人 広島大学大学院 先進理工系科学研究科 化学プログラム　特任助教

2050年カーボンニュートラル実現に向け、再生可能エネルギーの導入や水素・アンモニアの活用、省エネなどの取り組みが世界規模で加速しています。鉄鋼・化学・輸送といった基幹産業では、エネルギーの電化だけでは置き換えにくいプロセスが残り、さらに再生可能エネルギーの拡大は、電力の変動性と貯蔵・輸送という別の課題を浮かび上がらせています。だからこそ、二酸化炭素（CO₂）を原料として循環させる発想—いわゆるCCU（Carbon Capture and Utilization）が、次の産業基盤を形づくる鍵として注目されています。

その中でも太陽光を化学エネルギーに変換する技術は主に人工光合成と呼ばれ、太陽光、水、CO₂ から水素や有機燃料を製造する技術で、現在、社会実証をめざす挑戦が進んでいます。反応機構のCO₂還元は、反応を成立させる触媒設計が成否を分け、同時にその触媒の希少金属への依存からどう脱却するかという「実装スケール」の課題も突きつけられています。

こうした状況のなか、人工光合成に不可欠な光触媒によるCO₂還元について、「成立条件」を反応機構の観点から解明し、実用化に向けた研究に取り組む、国立大学法人 広島大学大学院 先進理工系科学研究科 化学プログラムの石谷 治 特任教授と鴨川 径 特任助教にお話を伺いました

石谷先生：二酸化炭素（CO₂）の資源化にはさまざまな方法がありますが、クリーンエネルギーを直接使うアプローチとしては、再生可能エネルギー由来の電力を利用する方法と、光を利用する方法が代表的です。私たちは後者、すなわち光触媒を用いてCO₂を資源化する人工光合成の研究に取り組んでいます。
光触媒を用いた人工光合成の研究では、太陽光を受けて電子を生みだす光増感剤と、その電子を使ってCO₂を還元する触媒の開発が鍵になります。私たちが取り組んでいるのは、光増感剤と触媒が関わる反応機構を解明し、反応を最大限に効率化することです。
これまでにも高い性能を示す光触媒系の構築に成功してきましたが、実用化に向けては、なお乗り越えるべき課題がいくつもあります。その解決に向けて、学生達と一緒に日々研究を進めています。

石谷先生：従来、CO₂還元の光触媒には、レニウム（Re）、ルテニウム（Ru）、イリジウム（Ir）などの貴金属が用いられてきました。しかし、資源量・コスト・供給の安定性といった観点から見ると、長期的な社会実装には課題が残ります。

鴨川先生：学生時代は、優れたCO₂還元触媒であるレニウム錯体がどのようにCO₂を還元しているのか、その反応機構の解明に取り組んできました。ところが調べるうちに、ある種その“限界”がわかってきました。そこで、希少金属に頼らず地球上に豊富に存在するアースアバンダント元素^※1で、同様の機能を実現できないかと考えるようになりました。
そこで着目したのがマンガン（Mn）です。マンガンは遷移金属の中でも比較的存在量が多く、構造的にレニウム系と共通点があることに加え、電気化学触媒としても用いられていることから可能性を感じていました。一方で、アースアバンダントな金属を使えばコストは抑えられますが、希少金属触媒よりも不安定になりやすいという難しさがありました。

石谷先生：マンガン錯体はレニウム錯体と構造が似ているので以前から試していましたが、実際に試してみると、光を当てると触媒が壊れてしまい、反応が長続きしないという課題がありました。

鴨川先生を中心に研究室が挑んだのは、「マンガン錯体でも光触媒として安定に働かせるにはどうすればよいか」という分子設計でした。鍵は、壊れる原因を“現象”として片づけるのではなく、反応機構として特定し、壊れにくい構造に落とし込むことです。

鴨川先生：耐久性が出ないとき、そこであきらめるか、それとも「何が原因で壊れるのか」「何を抑えればTON（Turnover Number：ターンオーバー・ナンバー）^※2を伸ばせるのか」を考え抜くか、その違いが大きいと思います。
レニウム系触媒ではTONが2,000～3,000だったため、まずはそのレベルを目標にしました。しかし、マンガン系は当初100程度にとどまっていました。ここであきらめてしまっては何も始まらない―そう考え、反応機構の解明に向けて、さまざまなアプローチでこの課題に取り組みました。
その一つが、オスニウムを用いた光増感剤の導入です。オスニウム光増感剤はマンガン触媒の分解を引き起こさない長波長の光を利用できるため、TONの改善につながりました。ただ、このシステムでは短波長の光を利用できないことになります。そこで、マンガン系触媒が壊れる原因を追及し、この分解反応が起こらないような対策を重ねました。
その結果、適切な構造を有するマンガン触媒と有機光増感剤を用いることで、TONを10,000程度まで（2桁規模で）改善できる段階に到達し、レニウム系に匹敵する性能を達成することができました。

人工光合成は「光を吸収する → 分子が励起状態になる → 電子が移動する → 触媒がCO₂を還元する」という、複数の反応が時間軸で連結したシステムです。後半のプロセスでは、マンガン系でも性能向上が進んできましたが、反応全体を底上げするには、前半のプロセス、特に光を受けて電子を生み出す光増感剤側の改良も非常に重要です。

石谷先生：前半のプロセスで重要なのは、光を受けて電子を生み出す役割を担う光増感剤です。光増感剤の性能は量子収率^※3で評価しますが、この値を上げるためにさまざまな工夫を重ねてきました。中でも大きな転機となったのが、有機化合物を光増感剤に用いる試みです。有機化合物の利用は共同研究がきっかけでした。当初は不安定だと考えて懐疑的でしたが、試してみると思いのほか安定で、代替できる可能性が見えてきました。安定性の見通しが立ったところで、次は電子の供給能力をどう高めるかを検討しました。光増感剤の励起状態には、一重項状態と三重項状態という2種類があります。一重項状態は生成しやすい一方で、すぐに失活（励起電子がエネルギーを失う）してしまいます（寿命は通常数ナノ秒）。これに対して三重項状態は通常の有機化合物では生成が遅いものの、失活までの時間が一重項状態よりもはるかに長いという特徴があります（数百μ秒の寿命も希ではない）。したがって、電子を取り出せるチャンスが多いのは三重項状態であり、この状態を活用する研究を進めました。その結果、優れた光増感剤の発見につながりました。
このように、共同研究によって生まれた、異なる研究分野との交流が、私たちの研究に大きな成果をもたらしています。文科省の人工光合成のプロジェクトでも、多くの異分野の先生方と知り合う機会があり、それをきっかけに現在も交流が続いています。人工光合成は非常に複雑なメカニズムのため、一人の研究だけで全体像を捉え、解明するのは難しいと考えます。それを打開するために共同研究を積極的に行い、人工光合成のメカニズム解明を徹底的に進めていることが、私たちの強みになっています。そのためにさまざまな分析手法を用いており、分光技術を用いた解析も重要な手法の一つです。

鴨川先生：蛍光寿命装置「FluoroCube」により、一重項状態と三重項状態の割合を精密に評価できます。分子構造を変えながら蛍光寿命を測定し、その結果を次の分子設計に反映させる。この反復が研究の推進力になっています。

石谷先生：太陽光には紫外線から近赤外線まで幅広い波長の光が含まれるため、幅広い波長範囲の光を有効に活用することが重要です。多様な波長の光を有効に活用できる光増感剤を開発するためには、それぞれの波長領域での発光を精密に分析する必要があります。蛍光分光測定装置Fluorolog-3は250～1400 nmまでの発光スペクトルを精度良く取得でき、紫外線から近赤外線まで発光を示す光増感剤の分析に活用できます。
以前、より大きな化合物で高い量子収率を持つ光増感剤を作ろうとしたことがありました。分子としてはPOM（ポリオキソメタレート）とリング状のレニウム多核錯体を用いましたが、両者はそれぞれ4プラスと4マイナスの電荷を持つため、1対1で結合しているのか、単に凝集しているだけなのかを確認する必要がありました。その際、ナノ粒子解析装置「nanoPartica SZ-100V2」がその判別に役立ちました。  

蛍光分光・蛍光寿命 製品サイトへのリンク

石谷先生：人工光合成はまだ実用化の例がない未来に向けた技術で、越えるべき山は多くかつ高いと感じています。水素発生光触媒と水添反応、太陽電池と電解の組み合わせなどのアプローチが先行して実用化に近づく可能性がありますが、そのためには設備の整備を含め、大きな投資が必要になります。
一方、光触媒を用いたCO₂の直接還元のシステムは、構成としてはよりシンプルになる可能性がありますが、効率や安定性など、実用化に向けて乗り越えるべき課題が残っています。それでも、光触媒によるCO₂資源化を社会実装につなげていきたいという強い思いがあります。
レニウムを用いた触媒は、半導体光触媒との組み合わせによって高効率な人工光合成を実現できる可能性が期待できる一方、レニウムは地球上での存在量が限られるため、世界規模で大量のCO₂を処理できるだけの光触媒を用意することは難しい。実用化を見据えると、量の面でもコストの面でもマンガンが適していると考えています。そのためにも、マンガンを用いた光触媒は、効率の向上に加え安定性の向上も必要不可欠です。

鴨川先生：実用化できるレベルのマンガン錯体を用いた光触媒の研究は、まだ始まったばかりです。ただ、これまで解明してきたレニウム錯体でのメカニズムを参考にしながら、実用化に少しでも早く近づける光触媒系を作っていきたいと思います。

石谷先生：カーボンニュートラルは、一つの方法で解決できるようなものではありません。今後もさまざまなアプローチでカーボンニュートラルの実現がめざされていく中で、私たちが研究している人工光合成も実装を見据えた性能向上が求められます。まずはプロセスやプラント関連の研究者、民間企業に興味をもってもらえるレベルまで効率を高め、カーボンニュートラル実現の一つの解になることを夢見ています。

“世界で誰もできていないこと”を、機構から解きほぐし、測って、設計し、積み上げる。石谷グループの研究は、新触媒の探索にとどまらず、カーボンニュートラルを社会の仕組みとして成立させるための「要素技術の土台づくり」です。効率と耐久性、そしてアースアバンダント化、この3点が揃ったとき、人工光合成は「未来の概念」から、次世代エネルギー・次世代化学産業を支える現実の選択肢へ近づきます。

（インタビュー実施日：2026 年1月）
※掲載内容および文中記載の組織、所属、役職などの名称はすべてインタビュー実施時点のものになります。

※1 アースアバンダント元素：地球の地殻中に比較的多く存在し、希少金属（レアメタル）のように特定の地域に偏在せず、世界中で入手可能な安定した元素。

※2 TON（Turnover Number：ターンオーバー・ナンバー：触媒1モルあたり、触媒が不活性化するまでに生成物へ変換できる基質のモル数。触媒の寿命や総生産能力を示す指標であり、数値が大きいほど高性能で長寿命。

※3 量子収率: 吸収された光子数で生成物量を割った数値。光触媒反応の効率を示す指標。

石谷 治（いしたに　おさむ）
国立大学法人 広島大学　大学院先進理工系科学研究科　化学プログラム　特任教授（専任）

［略歴］
1988年04月～1991年03月  公害資源研究所 研究官
1991年04月～1995年03月  資源環境技術総合研究所 主任研究官
1995年04月～2002年03月  埼玉大学  大学院理工学研究科 環境制御工学専攻  助教授
2002年02月～2006年03月  東京工業大学  大学院理工学研究科 化学専攻  助教授
2006年04月～2016年03月  東京工業大学  大学院理工学研究科 化学専攻  教授
2016年04月～2024年03月  東京工業大学  理学院 化学系  教授
2021年04月～イギリス王立化学会  FRSC
2021年08月～2022年07月  広島大学  客員教授
2022年08月～2024年03月  広島大学  先進理工系科学研究科　特任教授(兼任）
2024年03月～東京工業大学  名誉教授
2024年04月～現職

鴨川 径 （かもがわ けい）
国立大学法人 広島大学　大学院先進理工系科学研究科　化学プログラム　特任助教

［略歴］
2016年4月~2025年3月　 東京科学大学（東京工業大学）で博士号（理学）を取得
2025年4月~ 現職