上海交通大学の研究者が「人工葉」を3Dプリント：二酸化炭素をクリーン燃料に効率的に変換

出典: Regenovo

現在、人間が使用するエネルギーは主に再生不可能な化石燃料から得られています。近年、化石燃料エネルギーの過剰消費とそれに伴うエネルギー枯渇危機および温室効果により、新たなクリーンエネルギーの開発と利用が緊急に必要とされています。

自然界の植物による自然光合成は、太陽光エネルギーを利用して空気中の二酸化炭素を有機物に還元するものであり、光エネルギーの利用率が非常に高いです。これに触発されて、科学研究者たちはこの植物の行動を模倣して新たなエネルギーを生み出そうと試みてきました。

チタン系触媒などの光触媒は、ある波長の光のもとで二酸化炭素と水を触媒的に還元し、一酸化炭素やメタンなどの燃料に変えることができることが発見され、「人工光合成」が開発されました。しかし、このタイプのチタンベースの光触媒を使用してクリーンエネルギーを生成するには、まだ多くの困難が残っています。さらに重要な問題は、従来の粉末触媒は二酸化炭素の吸収と拡散を促進しないため、触媒効果を最大限に高めることが困難であることです。

研究者らは、このタイプの触媒に対してさまざまな構造最適化を実施し、ガスの吸収と変換を促進する3次元構造を触媒に与えることを目指している。しかし、従来の方法では、人々のニーズに合わせて外部形状や内部構造を制御できる触媒を正確に製造することは依然として極めて困難です。

バイオ 3D プリント技術は、触媒調製の問題を解決する効果的な手段を提供します。最近、上海交通大学材料科学工学部のファン・トンシャン教授の研究チームは、天然の葉の構造を模倣し、チタンベースの触媒を「人工の葉」の形に創造的に印刷し、二酸化炭素の吸収と拡散を促進するマルチスケールの内部構造を与えました。

ファン・トンシャン教授率いる研究チームは、杭州ジーンフルイド・バイオテクノロジー株式会社が独自に開発した生物3Dプリンター（「バイオプリンター」）を使用し、ナノメートルからセンチメートルレベルの内部気孔と超高比表面積を持つ「人工葉」を作製し、人工光合成の変換効率を大幅に向上させた。

研究により、天然の植物の葉には数ミクロンサイズの穴や通路が無数に存在し、二酸化炭素などのガスが葉の中で妨げられることなく拡散できることがわかっています。バイオ3Dプリンティングは、材料の内部構造を精密に制御することができます。ファン・トンシャン教授率いる研究チームはこれを活用し、バイオ3Dプリンティングを通じてチタンベースの触媒を得ました。この触媒は葉のように見えるだけでなく、天然の葉に似た内部構造と細孔を持ち、ミクロンレベルで細孔サイズを制御できるガスチャネルを備えています（図1を参照）。

図 1 (ad) 天然の葉の構造、(eh) 3D プリントされた人工の葉の構造。
研究者たちは「人工の葉」の印刷プロセスを詳しく説明した。

特殊なプロセスを使用して、チタンベースの触媒、二酸化チタン、界面活性剤、およびポロゲンシリカナノ粒子の前駆体を濃縮し、生物学的 3D 印刷に適したレオロジー特性を持つ「インク」を取得します。
杭州GeneFluid Bio 3Dプリンターの助けを借りて、人工葉のプロトタイプをオンデマンドで迅速かつ簡単に印刷できます。
500°C で焼成し、さらに水酸化カリウムでエッチングしてシリカ粒子を除去すると、ナノ、ミクロン、センチメートルスケールの細孔を持つマルチスケール多孔質触媒足場が得られます (図 2 を参照)。

図 2 3D プリント「人工葉」プロセスの概略図 (左) と印刷に使用されるチタンベースのインク (右)。
注目すべきは、マルチスケールの細孔構造の存在により、チタンベースの触媒担体の最大比表面積が 1 グラムあたり 259 平方メートルに達することです。

触媒担体の表面に金と二酸化ルテニウムを堆積させた後、光触媒二酸化炭素還元性能を有する人工光合成触媒が得られ、二酸化炭素と水を一酸化炭素とメタンに効果的に還元することができます。

研究者らは、この「人工葉」の一酸化炭素とメタンの生成速度がそれぞれ 0.21 μmol/g/h と 0.29 μmol/g/h に達したことを発見しました。これは、同じ成分の粉末チタンベース触媒の 2 倍と 6 倍に相当します (図 3 を参照)。

従来の触媒粉末と比較して、制御可能な形状と内部構造、マルチスケールの細孔、高い多孔性、高い比表面積を備えたこの生物学的3Dプリント「人工葉」は、人工光合成触媒の触媒効率を大幅に向上させ、クリーンエネルギー分野での大きな応用可能性を秘めています。

図 3 3D プリントされた「人工葉」と従来の粉末触媒がメタンと一酸化炭素を生成する速度。
触媒効率の向上を説明するために、研究者らはコンピューターシミュレーションを通じて、3Dプリント構造と従来の粉末内部のガスの拡散挙動をさらに研究し、3Dプリントブレードの内部構造が天然の葉と同様に二酸化炭素の吸収と拡散のための低インピーダンス経路を提供できることを発見しました。これにより二酸化炭素の吸着と拡散速度が大幅に向上し、この気相触媒プロセスの反応速度の向上に間違いなく役立ちます（図4を参照）。

図 4 3D プリントされた粉末触媒内部での二酸化炭素の拡散のコンピューターシミュレーション。
この研究は「Chemistry of Materials」誌に掲載された。

論文リンク: https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.chemmater.7b04313

杭州 Regenovo Biotech Co., Ltd. (Regenovo) は、国家ハイテク企業として、バイオメディカル分野における 3D プリント機器および包括的なソリューションの国際的大手サプライヤーです。同社はバイオメディカル分野向けの専門的なバイオ3Dプリント技術と設備の研究開発に力を入れており、医療情報から医療製品の3Dプリントカスタマイズまでのデジタル医療チェーンを構築し、「バイオ3Dプリント+バイオマテリアル」のデュアルコア産業コンソーシアムを持ち、科学研究、再生医療、組織工学、医薬品開発、パーソナライズ医療向けの製品とサービスを提供しています。

出典: Regenovo