光バイオ触媒で空気と水からアンモニアと水素 同時の合成に成功

• 肥料の合成やグリーン水素の輸送媒体としてアンモニアが期待されているが、アンモニアの合成時に厳しい反応条件下での合成となり、多くのCO₂の発生を伴う。一方で、バイオ触媒では温和な条件で合成できるが、生成速度が遅い。
• 当該研究では生体触媒の機能の一部を光触媒と電子伝達系を組み合わせることで、改善し、光バイオ触媒による常温常圧での窒素と水からアンモニアと水素の合成に成功した。
• 今回の成果は、再生可能エネルギーの普及に貢献し、カーボンニュートラル・エネルギー社会の実現に寄与するとともに、食糧生産に必要不可欠な肥料の価格の低下などに寄与し、持続可能な社会の実現に貢献できる。

　アンモニアは肥料や工業原料として広く使われる有用な化学薬品で、近年はグリーン水素の運搬の媒体としても期待されています。従来は、400℃、200気圧以上という高温、高圧下で、窒素と水素を用いて合成されており、エネルギー多消費のプロセスでした。
　一方で、ニトロゲナーゼという酵素では、常温、常圧下で、アデノシン三リン酸(ATP)をエネルギー源としてアンモニアを合成しますが、反応速度が非常に遅いことが課題です。今回、シアノバクテリア内のニトロゲナーゼに、光触媒を用いて還元した電子伝達媒体のメチルビオロゲンを用いて、直接、電子を輸送することで、大気中の窒素と水から直接、アンモニアを生体触媒に比べて80倍以上の速さで合成できることを見出しました。
　九州大学のカーボンニュートラル国際研究所(三井化学カーボンニュートラル研究センター)の石原達己教授、Kosem  Nuttavut特任助教、大﨑穣特任助教らの研究グループは、従来のシアノバクテリアの生体機能の一部の代謝系を、光触媒を用いて代替することと、生成したアンモニアの代謝を抑止することにより、常温、常圧下で窒素と水からアンモニアと水素を合成することを可能としました。
　今回の成果は、現在、環境保全の観点から要望されているカーボンニュートラルな社会の達成のために再生可能エネルギー起源のグリーン水素の利用の促進のみでなく、肥料などに使われるアンモニアの温和な条件での合成を通して持続可能な社会の実現に役立ちます。
　本研究成果は、オランダ、エルセビア社出版の雑誌「Applied Catalyst B Environment」に2023年10月24日（日本時間）にオンラインで公開されました。

(※1) ニトロゲナーゼ
リゾビウム (Rhizobium) 属（根粒菌）など窒素固定を行う細菌が持っている酵素。大気中の窒素をアンモニアに変換する反応を触媒する。
N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ + 16ATP → 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16Pi
極めて酸素に弱く、酸素に触れると数分間で不可逆的に失活する。そのため、本酵素を有する生物にはそれぞれ空気中の酸素からニトロゲナーゼを隔離する機構が見られる。
(※2) シアノバクテリア
酸素を発生する光合成（酸素発生型光合成）を行う原核生物。 酸素発生型光合成は、植物の光合成と基本的に同じものである。 シアノバクテリアの祖先は30～25億年前に地球上に出現し、初めて酸素発生型光合成を始めた。
(※３)光触媒
光を照射することにより触媒作用を示す物質の総称。TiO₂などが代表的な光触媒で、光により、電荷分離した電子とホールによる還元および酸化反応を行う。
(※４) アンモニア
分子式が NH₃で表される無機化合物。常圧では無色の気体で、特有の強い刺激臭を持つ。
水に良く溶けるため、水溶液（アンモニア水）として使用されることも多く、化学工業では基礎的な窒素源として重要である。

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掲載誌：Appl. Catalysis B Environment
タイトル：Photobiocatalytic conversion of solar energy to NH₃ from N₂ and H₂O under ambient condition
著者名：Nuttavut Kosem, Xiao-feng Shen, Yutaka Ohsaki, Motonori Watanabe, Jun Tae Song, Tatsumi Ishihara
DOI：10.1016/j.apcatb.2023.123431

カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所　石原 達己　教授