九大、阿蘇山から発見した水素酵素「S–77」を燃料電池のアノード電極に応用

  [2014/06/06]

九州大学(九大)は6月4日、燃料電池のアノードとして一般に使用されている白金触媒の能力をはるかに超える水素酵素(ヒドロゲナーゼ)「S–77」電極を開発したと発表した。

同成果は、カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I2CNER)/大学院 工学研究院の小江誠司教授らによるもの。名古屋大学の研究グループと共同で行われた。詳細は、ドイツ学術雑誌「Angewandte Chemie International Edition」オンライン版に掲載された。

水素–酸素燃料電池は、廃棄物として水しか排出しないことから、クリーンな次世代発電デバイスとして期待されている。しかし、電極触媒には、希少金属の白金が使用されており、代替触媒の開発が待たれている。自然界では、水素酵素(ヒドロゲナーゼ)が常温常圧の温和な条件で水素から電子が取り出せ、その能力は白金をはるかに超えることが知られている。そのため、燃料電池の電極触媒としてもヒドロゲナーゼの利用が期待されてきた。しかし、ヒドロゲナーゼの酸素に対する不安定さにより燃料電池に応用できなかった。

今回、研究グループは、阿蘇山(熊本県)の過酷な環境下で生息しているヒドロゲナーゼS–77を見出した。この酵素は酸素に安定であり、燃料電池のアノード触媒として、白金に比べて質量活性が637倍、電流密度が1.8倍、電力密度が1.8倍とはるかに超える能力を有している。この能力を示す理由として、ヒドロゲナーゼS–77と白金の水素を活性化(切断)するメカニズムが根本的に異なっているためと推定されるとしている。また、この酸素耐性ヒドロゲナーゼを固体高分子形燃料電池(PEFC)のアノード触媒に応用することに成功したという。

現在、この成果を基に、従来の性能を超える人工触媒の開発も進めており、生体触媒と人工触媒の両面から、自動車メーカーとの共同研究もスタートさせているとコメントしている。

ヒドロゲナーゼS–77をアノードに用いた燃料電池による発電の様子

ヒドロゲナーゼの活性中心の構造。ニッケル原子(Ni)と鉄原子(Fe)がシステイン残基(Cys)のイオウ原子(S)によって架橋された2核構造をしている。Xは、休止状態では水分子(H2O)、水酸化物イオン(OH)、またはオキソイオン(O2)であり、活性化状態ではヒドリドイオン(H)と考えられている



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