利用太阳光、水、二氧化碳制造有用物质的“人工光合作用”备受关注。在中间环节的制氢方面，丰田和日本制铁参与的大规模实证将于2030年开始实施，目标是以更低的成本（比从天然气中分离氢气的方式更便宜）来制造生产时不排放二氧化碳的“绿色氢气”。为了实现被视为脱碳王牌的“梦之技术”，日本企业将对最前沿的尝试和课题进行验证。
　　“丰田拥有的汽车尾气催化剂相关技术，对于光催化剂的开发和降低装置成本不可或缺。欢迎丰田加入进来”，三菱化学执行研究员濑户山亨如此说道。三菱化学与东京大学等在最近10年一直致力于人工光合作用的实证业务。此次邀请丰田等企业加入，启动着眼于实用化的新项目。
　　NEDO提供300亿日元资助
　　新项目首先将开发把水分解成氢气和氧气的光催化剂片。把水封入贴有光催化剂片的光伏面板里，在太阳光的照射下产生氢气。面板为几公顷～100公顷，规模远远大于之前的实证业务。计划2030年将制氢成本降低到每公斤240日元，是从天然气中分离氢气的同等以下水平，到2050年进一步降低到170日元以下。日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）决定在未来10年内提供300亿日元的资金援助。
　　如果能以低成本制造氢气，丰田就能使用氢气为燃料电池车提供动力，有望通过以氢气为基础制造的塑料零部件来降低汽车生产成本。由于是不排放二氧化碳的绿色氢气，还有助于生产汽车时减少碳排放。
　　日本制铁正在致力于“氢气炼铁”，使用氢气代替煤炭使铁矿石发生还原反应，从根本上减少二氧化碳排放，因此也需要便宜的氢气。日本制铁表示，“希望该项目能够有助于构建绿色氢气供应体制”。
　　在亟待采取脱碳应对措施的情况下，代表日本产业界的丰田和日本制铁加入到项目中，显示出产业界对人工光合作用的高度期待。
　　人工光合作用是利用阳光将水分解成氢气和氧气，然后利用生成的氢气和二氧化碳来制造有机物。正如字面的意思那样，是以人工方式来实现植物的光合作用。主流分解方式有两种，一种是使用吸收阳光的光催化剂，一种是使用电极。二氧化碳从工厂等收集，使其与氢气反应制成塑料原料等。中间产生的氢气和氧气还可以用于其他用途。
　　目标是转换效率提高到10％
　　要把这种技术用于产业用途，必须扩大规模，尽可能地降低制氢成本。关于这一点，三菱化学等企业之前实施的实证业务已于2021年以光催化剂方式利用全球最大规模的约100平米面板成功制造出氢气，取得了巨大成果。能量转换效率约为1％，距离实用化目标水平的5～10％还很远，但新项目扩大了规模并继承该成果，目标是使能量转换效率达到10％。
　　除了该项目外，日本还在瞄准这种技术的实用化不断进行其他尝试。
　　大阪市立大学教授天尾丰等人与饭田集团控股公司共同开发的技术是，利用阳光、二氧化碳和水来制取甲酸，再用催化剂分解甲酸制取氢气。氢气燃烧后产生的水与二氧化碳发生反应，可再次生成甲酸。目前已在冲绳县的宫古岛建成了利用这种循环来供应电力和热水的“人工光合作用小屋”。最早将于2022年内开始进行实证。“一栋房子所需要的能源全部利用人工光合作用来提供，这一点已有望成为现实”，天尾教授表示。
　　丰田集团的丰田中央研究所（爱知县长久手市）开发出了利用光伏电池、水、二氧化碳来制造甲酸的装置。采用的是与光伏电池连接的电极方式，2021年12月用1米见方的装置实现了超过10％的能量转换效率。就这一尺寸来说，转换效率达到了世界最高水平。在汽车行业，日产汽车正在与东京工业大学共同研究，目标是通过人工光合作用来制造汽车零部件原料。
　　面临成本课题
　　虽然找到了迈向实用化的道路，但在成本方面仍面临课题。即使能够低价制备氢气，但如果开发不出在此后的工艺中与二氧化碳反应的高效催化剂，成品率也不会太高，生产的塑料原料就会很昂贵。要想在价格上与来自石油的塑料进行竞争，还需要低价采购二氧化碳。
　　三菱综合研究所的主任研究员佐藤智彦解释说：“应该着眼于国际供应链来制定计划”。要想有效利用太阳光，最好在靠近赤道的地区设置大型生产设备。如果利用人工光合作用生产出液体原料，将比氢气更容易运输。他认为“如果在中东和澳大利亚生产，然后运往日本，还可以充分利用现有的产业基础设施”。
　　为了替代化石燃料，1970年代石油危机前后，人工光合作用的研究一度盛行，但石油危机后在欧美降温。后来到了2010年左右，该技术在欧美再度受到关注，丰田中研首席研究员森川健志说：“2015年，国际上达成了削减温室气体的共识，签订了《巴黎协定》，热度一下子高涨起来”。要想克服降低成本等课题，还需要时间和支持研发的资金。在脱碳化这一绝好的助推因素下，人工光合作用能否实现实用化成为焦点。
　　中国专利数量领先，日本地位下降
　　在人工光合作用的研发上，日本的地位不断下降。三井物产战略研究所利用德国信息服务企业PatentSight等的数据进行调查后发现，截至2022年1月，日本相关有效专利数量（包括正在申请的专利）不到中国的一半。近年，中国的专利质量也在不断提高。以前号称世界领先的日本已经不能高枕无忧。
　　截至1月，中国的有效专利为562项，最近10年猛增10倍，2016年超过日本，2018年超过美国。中国申请的专利大多面向国内，很多专利被指价值较低。不过，最近出现了利用二氧化碳和氢气生产药品及农药等原料的方法，此类值得关注的国际专利也越来越多。三井物产战略研究所的石黑隆介表示：“（中国）今后将提高质量，国际专利应该也会增加”。
　　在基础研究方面，中国也取得了很大进步。2021年9月，中国的研究机构在美国《科学》杂志上发表了人工合成淀粉的研究成果。这在植物光合作用中是最难模仿的，中国研究机构详细分析并再现了复杂的反应，跻身世界最顶尖行列。
　　日本的有效专利为269项，10年增至3.8倍，但涨幅比中国小，数量跟213项的美国匹敌。虽然拥有富士胶片及丰田中研等在世界上专利申请数量也排在前列的企业，但无法对抗中国的数量攻势。
　　对于资源匮乏的日本而言，创造资源的人工光合作用是梦寐以求的技术。实际上，日本也有很多发表了重要成果、被称为“诺贝尔奖候选人”的研究人员，比如东京理科大学荣誉教授藤岛昭，发现了光催化剂将水分解成氧气和氢气的“本多藤岛效应”，还有冈山大学教授沈建仁，阐明了植物光合作用所需的蛋白质晶体结构。也有观点认为，虽然石油危机后欧美的研究降温，但日本持续推进研究，成就了后来的技术优势。
　　虽然日本通过上述积累确保了很强的竞争力，但如果客观看待专利数量等，那已属于过去式。在脱碳潮流下，德国等欧洲各国申请的高价值专利也越来越多。今后，日本的地位也有可能会进一步下降。
　　（日经中文网2022-03-15，三隅勇气、永田好生）