利用太陽光、水、二氧化碳製造有用物質的「人工光合作用」備受關注。在中間環節的製氫方面，豐田和日本製鐵參與的大規模實證將於2030年開始實施，目標是以更低的成本（比從天然氣中分離氫氣的方式更便宜）來製造生産時不排放二氧化碳的「綠色氫氣」。為了實現被視為脫碳王牌的「夢之技術」，日本企業將對最前沿的嘗試和課題進行驗證。

   

2021年成功進行約100平米實證的設施（茨城縣）

   

      「豐田擁有的汽車廢氣催化劑相關技術，對於光催化劑的開發和降低裝置成本不可或缺。歡迎豐田加入進來」，三菱化學執行研究員瀨戶山亨如此説道。三菱化學與東京大學等在最近10年一直致力於人工光合作用的實證業務。此次邀請豐田等企業加入，啟動著眼於實用化的新項目。

 

      NEDO提供300億日元資助

 

      新項目首先將開發把水分解成氫氣和氧氣的光催化劑片。把水封入貼有光催化劑片的光伏面板裏，在太陽光的照射下産生氫氣。面板為幾公頃～100公頃，規模遠遠大於之前的實證業務。計劃2030年將製氫成本降低到每公斤240日元，是從天然氣中分離氫氣的同等以下水準，到2050年進一步降低到170日元以下。日本新能源産業技術綜合開發機構（NEDO）決定在未來10年內提供300億日元的資金援助。

 

      如果能以低成本製造氫氣，豐田就能使用氫氣為燃料電池車提供動力，有望通過以氫氣為基礎製造的塑膠零部件來降低汽車生産成本。由於是不排放二氧化碳的綠色氫氣，還有助於生産汽車時減少碳排放。

 

      日本製鐵正在致力於「氫氣煉鐵」，使用氫氣代替煤炭使鐵礦石發生還原反應，從根本上減少二氧化碳排放，因此也需要便宜的氫氣。日本製鐵表示，「希望該項目能夠有助於構建綠色氫氣供應體制」。

 

      在亟待採取脫碳應對措施的情況下，代表日本産業界的豐田和日本製鐵加入到項目中，顯示出産業界對人工光合作用的高度期待。

 

      人工光合作用是利用陽光將水分解成氫氣和氧氣，然後利用生成的氫氣和二氧化碳來製造有機物。正如字面的意思那樣，是以人工方式來實現植物的光合作用。主流分解方式有兩種，一種是使用吸收陽光的光催化劑，一種是使用電極。二氧化碳從工廠等收集，使其與氫氣反應製成塑膠原料等。中間産生的氫氣和氧氣還可以用於其他用途。

  

  

      目標是轉換效率提高到10％

 

      要把這種技術用於産業用途，必須擴大規模，盡可能地降低製氫成本。關於這一點，三菱化學等企業之前實施的實證業務已於2021年以光催化劑方式利用全球最大規模的約100平米麵板成功製造出氫氣，取得了巨大成果。能量轉換效率約為1％，距離實用化目標水準的5～10％還很遠，但新項目擴大了規模並繼承該成果，目標是使能量轉換效率達到10％。

 

      除了該項目外，日本還在瞄準這種技術的實用化不斷進行其他嘗試。

 

      大阪市立大學教授天尾豐等人與飯田集團控股公司共同開發的技術是，利用陽光、二氧化碳和水來製取甲酸，再用催化劑分解甲酸製取氫氣。氫氣燃燒後産生的水與二氧化碳發生反應，可再次生成甲酸。目前已在沖繩縣的宮古島建成了利用這種迴圈來供應電力和熱水的「人工光合作用小屋」。最早將於2022年內開始進行實證。「一棟房子所需要的能源全部利用人工光合作用來提供，這一點已有望成為現實」，天尾教授表示。

 

      豐田集團的豐田中央研究所（愛知縣長久手市）開發出了利用光伏電池、水、二氧化碳來製造甲酸的裝置。採用的是與光伏電池連接的電極方式，2021年12月用1米見方的裝置實現了超過10％的能量轉換效率。就這一尺寸來説，轉換效率達到了世界最高水準。在汽車行業，日産汽車正在與東京工業大學共同研究，目標是通過人工光合作用來製造汽車零部件原料。

   

  

      面臨成本課題

 

      雖然找到了邁向實用化的道路，但在成本方面仍面臨課題。即使能夠低價製備氫氣，但如果開發不出在此後的工藝中與二氧化碳反應的高效催化劑，成品率也不會太高，生産的塑膠原料就會很昂貴。要想在價格上與來自石油的塑膠進行競爭，還需要低價採購二氧化碳。

 

      三菱綜合研究所的主任研究員佐藤智彥解釋説：「應該著眼於國際供應鏈來制定計劃」。要想有效利用太陽光，最好在靠近赤道的地區設置大型生産設備。如果利用人工光合作用生産出液體原料，將比氫氣更容易運輸。他認為「如果在中東和澳大利亞生産，然後運往日本，還可以充分利用現有的産業基礎設施」。

 

      為了替代化石燃料，1970年代石油危機前後，人工光合作用的研究一度盛行，但石油危機後在歐美降溫。後來到了2010年左右，該技術在歐美再度受到關注，豐田中研首席研究員森川健志説：「2015年，國際上達成了削減溫室氣體的共識，簽訂了《巴黎協定》，熱度一下子高漲起來」。要想克服降低成本等課題，還需要時間和支援研發的資金。在脫碳化這一絕好的助推因素下，人工光合作用能否實現實用化成為焦點。

 

      中國專利數量領先，日本地位下降

  

      在人工光合作用的研發上，日本的地位不斷下降。三井物産戰略研究所利用德國資訊服務企業PatentSight等的數據進行調查後發現，截至2022年1月，日本相關有效專利數量（包括正在申請的專利）不到中國的一半。近年，中國的專利品質也在不斷提高。以前號稱世界領先的日本已經不能高枕無憂。

 

      截至1月，中國的有效專利為562項，最近10年猛增10倍，2016年超過日本，2018年超過美國。中國申請的專利大多面向國內，很多專利被指價值較低。不過，最近出現了利用二氧化碳和氫氣生産藥品及農藥等原料的方法，此類值得關注的國際專利也越來越多。三井物産戰略研究所的石黑隆介表示：「（中國）今後將提高品質，國際專利應該也會增加」。

  

   

      在基礎研究方面，中國也取得了很大進步。2021年9月，中國的研究機構在美國《科學》雜誌上發表了人工合成澱粉的研究成果。這在植物光合作用中是最難模倣的，中國研究機構詳細分析並再現了複雜的反應，躋身世界最頂尖行列。

 

      日本的有效專利為269項，10年增至3.8倍，但漲幅比中國小，數量跟213項的美國匹敵。雖然擁有富士底片及豐田中研等在世界上專利申請數量也排在前列的企業，但無法對抗中國的數量攻勢。

 

      對於資源匱乏的日本而言，創造資源的人工光合作用是夢寐以求的技術。實際上，日本也有很多發表了重要成果、被稱為「諾貝爾獎候選人」的研究人員，比如東京理科大學榮譽教授藤島昭，發現了光催化劑將水分解成氧氣和氫氣的「本多藤島效應」，還有岡山大學教授沈建仁，闡明了植物光合作用所需的蛋白質晶體結構。也有觀點認為，雖然石油危機後歐美的研究降溫，但日本持續推進研究，成就了後來的技術優勢。

 

      雖然日本通過上述積累確保了很強的競爭力，但如果客觀看待專利數量等，那已屬於過去式。在脫碳潮流下，德國等歐洲各國申請的高價值專利也越來越多。今後，日本的地位也有可能會進一步下降。

 

      日本經濟新聞（中文版：日經中文網）三隅勇氣、永田好生

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