image: Hydrogen (H2) evolution systems constructed in cross-linked porous lysozyme crystals by immobilizing Pt nanoparticles as H2-evolution catalysts in immediate proximity to an organic photosensitizer, rose bengal. view more
Credit: H. TABE/Osaka City University
山田教授らは、以前に、シリカ-アルミナとよばれる無機物の多孔性材料（分子が入る小さな穴が無数に空いた材料）に光増感剤、そして触媒本体となる金属微粒子を同時に固定することで、水素製造光触媒システムの構築に成功していました。
一方、自然界では生物の体の大部分は有機物であるタンパク質によって構成されています。このタンパク質には、さまざまな化合物と選択的に相互作用できる複数種類の官能基が含まれています。この選択的な相互作用を利用すれば、無機物を担体とする場合よりもより精密に、異なる機能を持つ機能性分子や粒子を反応に適した形で配置することができます。
今回、鶏卵から安価かつ大量に得られるリゾチームと呼ばれるタンパク質の結晶を利用し、光エネルギーを蓄えることができる分子（光増感剤）と、水素イオン（H+）に電子を与えて水素を作り出す触媒を組み合わせて水素製造光触媒システムを構築しました。リゾチームの結晶は、その内部に無数のナノメートルレベルの大きさの細孔を有する多孔性タンパク質結晶であることが知られています。この結晶に、隣り合うタンパク質同士をつなぐ架橋化とよばれる処理を施すと、多孔性結晶としての安定性を向上させることができます。この架橋化処理をしたリゾチーム結晶の内部に、光増感剤である“ローズベンガル”と水素発生触媒である“白金ナノ粒子”を固定して光触媒システムを構築しました。この触媒システムの原子レベルでの構造を単結晶X線構造解析で調べたところ、ローズベンガルと白金ナノ粒子が近接して固定化されていることを示す結果が得られました。
さらに、電子源を含む水中で、この光触媒システムに可視光を照射したところ、水素が発生することが確認できました。電子源として“NADH”と呼ばれる天然補酵素を用いた場合、水素の収率は85%になり、当研究グループが無機物を用いて報告した値（76%）と比較して高い効率で水素を製造できることが分かりました。また、触媒の性能を示す触媒回転頻度（TOF）も、従来の約3倍に向上しました。
本研究では、天然に存在するタンパク質を有機多孔性材料として用いて、機能性分子とナノ粒子を同時に集積化し、水素製造光触媒システムを高効率化する技術を開発しました。また、原子レベルでの構造観察の結果から、高効率化した理由も突き止めることができました。
今後、それぞれの化学反応の素反応過程に適した機能性分子や材料を任意の位置に配置できるタンパク質結晶を担体として利用することで、さまざまな用途に応じた触媒システムを合理的に設計できるようになり、持続発展可能な社会の実現に繋がることが期待されます。
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Journal
Applied Catalysis B Environment and Energy