JP2007516577A - 水素および他の物質の産生における光生物燃料電池の使用方法 - Google Patents
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Abstract
Description
光合成の間、植物は、光エネルギーを電気化学的エネルギーに、そして最終的には、炭水化物および他の化合物に貯蔵される化学ポテンシャルエネルギーに変換する。この炭水化物は、必要に応じて酸化され、エネルギーをその生物体に提供する。酵素触媒生物燃料電池と組合せて作用する色素増感されたナノ粒子半導体光電アノードを包含する光合成プロセスの模倣への新しいアプローチが、Gustら、「電流発生のための酵素ベースの光電池」(WO 03/079480)に記載されている。このシステムは、2つの補完的プロセスの簡単かつ直接的な結合を達成し、各アプローチのいくつかの利点を単一のユニットに組合せ、そして原理上は、独立に作用する各プロセスよりも多い電力を提供し得る。
例示のために、そして上記説明をより明確にするために、添付の図面に対して参照がなされる。
本発明者らは、以下に記載され、最初は、電気を提供するために開発された光生物燃料電池が、水素のインサイチュ合成のために使用され得るということを示した。導電体または他の適切な手段を使用して光生物燃料電池の光電アノードに、プロトンと電子とからの水素の合成を触媒する触媒を結合することにより、水素は、その電池の電気化学的ポテンシャルを使用して産生される。産生される水素は、光生物燃料電池の燃料成分の改質に由来していると考えられ得る。この水素生成のためのエネルギーは、光電アノードおよび任意の関連する補助的アンテナシステムにより吸収される光ならびにこの光生物燃料電池の燃料源に固有の化学エネルギーに由来する。記載される方法は、炭素含有不要物質を含む種々の燃料源を、水素という形態の価値ある燃料に変換する。この燃料源としては、脂肪、炭化水素、炭水化物、タンパク質、およびこの光電アノードにより、直接または間接的に酸化される任意の物質が挙げられるが、これらに限定されない。水素のような単一の燃料源が、世界中の将来のエネルギー経済における共通の基準であると予想されるので、このプロセスは、価値がある。
本発明の実施に適切な光生物燃料電池(また、光電気化学電池、光生物学的燃料電池、または光電池とも呼ばれる)は、Gustら WO 03/079480(「Enzyme−based Photoelectrochemical Cell for Electric Current Generation)に記載されており、その全内容は、本明細書により参考として援用される。光電気化学電池は、構成要素として提供される正極および負極を備え、それらの間に電解液が入れられている。光を照射された場合に酸化剤および電子を生成する光感作物質化合物、電子を酸化された光感作物質化合物に提供する酸化還元メディエータ、および炭素含有燃料化合物をの酸化を触媒する酵素を介して炭素含有燃料化合物から、負極が、電子を受け取る場合、起電力が、正極と負極との間で生じる。これは、光照射エネルギーによりバイアスをかけた形態の電気エネルギーとして、炭素含有化合物中に蓄積される化学エネルギーの利用を可能にする。
光を照射された場合に酸化剤および電子を生成する光感作物質化合物として、5−(4−カルボキシフェニル)−10,15,20−(4−メチルフェニル)ポルフィリン(P1)を、負極を調製するのに使用されるポルフィリン光感作物質の代表例として使用した。
10〜12Ω/cm2の表面抵抗を有する電導性スズトープ酸化インジウム(ITO)の薄膜を備える1mmの厚さを有する光透過性ガラス基材を、負極を調製するのに使用した。10nmの平均粒子直径を有する粒子状二酸化スズ(SnO2)の、1重量%水性分散液を、ホットプレートの上で、層を、噴霧または別のやり方で塗布することにより、ITOフィルム上に堆積した。電極を、80℃の温度において乾燥し、次いで、空気中400℃の温度において1時間焼結し、粒子状SnO2のフィルムを形成した。その後、その電極を、1〜5mMの光感作物質P1の溶液に代表的には1時間浸し(ジクロロメタン、トルエンまたはヘキサンに溶解した)、その溶液から引き上げ、清浄な溶媒で洗浄して、そして窒素ガス流で乾燥した。電極粒子両面のP1の存在は、その吸収スペクトルにより確認した。
次いで、そのようにして調製した負極を、図2に示される構造を有する発電電池21を構築するのに使用した。
発電電池(a)を、負極23、白金(Pt)対極(24)、および酸化還元メディエータ(R)として2.5mM ヒドロキノン(QH2)を含有する0.1M の酢酸ナトリウム(NaOAc)水溶液である電解液26を使用して、上記のとおりに組立てた。
発電電池を、実施例1で使用したのと同じ型の負極23、対極24としてプラチナ(Pt)および電解液において酸化還元メディエータとしてのNADP+/NADPHを含むpH8.0の水性緩衝溶液により作製した。D−グルコース−6−リン酸(G−6−P)を、炭素含有燃料化合物として使用した。D−グルコース−6−リン酸デヒドロゲナーゼ(G−6−PDH)および6−ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼ(6−PGDH)を、酵素系として使用した。
発電電池を、実施例1で使用されている負極と同じ負極23、対極24としてプラチナ(Pt)、および電解液として0.5mMのNADHおよび10mMのNAD+を含むpH8.0の緩衝溶液によって作製した。エタノール(CH3CH2OH)を炭素含有燃料化合物として使用した。上記ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド共役対(NADH)/(NAD+)を、酸化還元メディエータとして使用した。アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)およびアルデヒドデヒドロゲナーゼ(ALDH)を、酵素系として使用した。
発電電池を、実施例1で使用されている負極と同じ負極23、対極24としてプラチナ(Pt)、および電解液中にNAD+/NADH酸化還元メディエータを含むpH7.3の緩衝溶液により作製した。D−グルコースを、炭素含有化合物として使用した。D−グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)を、酵素として使用した。
本発明は、光電アノードの出力側からの電流および燃料および補酵素NADまたはNADPおよび上で議論された光電アノードの入力成分を準備する関連酵素を使用する、水素のインサイチュ合成の方法からなる。
a.水性媒体中で作動する色素感受性のナノ粒子光電アノードからなる電気化学的半電池であって、この電気化学的半電池は、光電アノードの光酸化色素に電子を提供し、それによって自身は酸化される還元剤NADHまたはNADPHを含む。この半電池はまた、適切な酵素と合同して、NADHもしくはNADPHレベルを維持するために還元等量を提供する適切な還元炭素または他の燃料物質を含む。
からなるハイブリッド電気化学燃料電池である。
(光電アノード)
光電アノードの一成分(図9の左側)は、導電性表面であり、光に対して透明であり得る。スズドープ酸化インジウム(Indium tin oxide)でコートしたガラスもしくは溶融シリカまたはフッ素ドープ酸化スズ(fluorine tin oxide)でコートしたガラスもしくは溶融シリカ、は透明導電物質の例である。この物質の表面は、広帯域ギャップ半導体ナノ粒子の層で覆われている。適切な物質の例としては、二酸化スズおよび二酸化チタンである。上記ナノ粒子の表面上に、光吸収増感色素(図9のS)の層が沈着される。この物質は、電池が使用される励起源が、顕著な光子束を有するスペクトル領域における、光を吸収する。その最低励起状態(一重項、三重項)のいくつかのエネルギーおよびその第一酸化電位は、一重項状態または三重項状態が、エネルギー的にS+を発生するナノ粒子性表面に電子を注入できるようなものである。この事象は、酸化された増感剤、S+、およびナノ粒子層を通って上記導電体表面に、従って外部電子回路に移動する、可動性電子の生成につながる。増感剤Sは、適切な効率で上記励起状態のSがナノ粒子層に電子を注入することを動力学的に可能ならしめる構造配置において、ナノ粒子の表面に結合させ得る機能を担持する。
酸化還元共役対は、NADH/NAD+またはNADPH/NADP+からなり、どの種が上記燃料物質を酸化することに対して活性があるかに依存する。混合物を種々の燃料供給源に適応する適切な酵素で、使用され得る。電池は、上記光電アノードの発光時に作動するので、存在するNADHもしくはNADPHは、NAD+もしくはNADP+に変換される。このプロセスにおいて、二つの電子が酸化型増感剤S+により、NADHもしくはNADPHから除去され、Sが再生され、電子が外部回路を通る。適切な酵素と協調して、上記燃料物質はNADHまたはNADPHを再生し、それら自身は酸化される。このように、Sは光触媒としてリサイクルされ、NADHまたはNADPHはリサイクルされ、上記回路を通って流れる電子は、プロトンから水素を生成するヒドロゲナーゼにより使用される。
半電池の電解液は、本来は水性で、光電アノード、酸化還元共役対およびヒドロゲナーゼが、上記の如く機能できるような環境を提供する。上記電解液は、任意の必要な緩衝液、塩または電池の安定な作動を確実にするのに必要な他の物質を含む。
適切な電気回路を通って光電アノードから触媒へ流れる電子は、化学反応式:2H++2e−→H2に従って、プロトンと電子から水素の合成を引き起こすのに十分な還元電位を有する。水素生成のための全ての触媒の中で、上記ヒドロゲナーゼ酵素としては、Escherichia coli、Nostoc muscorum、Rhodospirillum rubrum、Rhodobacter Capsulatus、Chromatium vinosumなどのような生物体由来の[Ni、Fe]ヒドロゲナーゼが挙げられるが、決してこれらに限定されない。Clostridiium acetobutylicumおよび他のような生物体由来の[Fe]ヒドロゲナーゼもまた、使用され得る。上記ヒドロゲナーゼ電極の連結は、Reshadら(Biochemistry 38、8992〜8999(1999))または当業者に理解される改変電極および分子レベルでの電気接触技術を含む他の適切な手段により、記載され得る。
本発明は、図9に示されるように単独で、光電アノードと以前に記載した燃料供給源または上述のように、太陽光生物燃料電池において、酸素還元カソードと平行に針金で接続され、使用され得る。特定のヒドロゲナーゼ酵素は、酸素の存在下で、それらが阻害されるという点において自己調節するので、これは可能である。酸化条件下で、上記デバイスは、光電アノードからカソードへ電流を流す、光エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスとして作動する。酸素が存在しないときまたは酸素濃度が低い場合、カソード(酸素が消費される)への電流は、は遅く、ヒドロゲナーゼ酵素の酸素阻害は減少し、水素合成は加速される。この態様で機能すると、水素はエネルギー貯蔵媒体であり、その系は適切なエネルギー濃度で固体状態の貯蔵媒体を取り込み得る。
A)実験準備
1)Nafion N−112プロトン交換膜により分離された二つの区画の電池。
1)Arをカソード電池から除去した。カソード電池を、Thermogreen LB−2隔壁(Supelco)でシールした。
2)白地TiO2/FTOアノード(ECN)を、アノード電池に挿入した。アノード電池は、実験中ずっとArバブルをした。
3)電極を、Keithley617電位計を通して接続して電流を測定した。
4)上記TiO2アノードを、Xeアークランプおよび短パスフィルター(λ<1100nm)で20分間発光させた。
1)上記ブランクTiO2/FTOアノードを、上記アノード電池から除去した。43mgのNADHをアノード溶液に添加して、上記アノード溶液中でほぼ4mM NADHにした。
フォトダイオード電流=242.5マイクロアンペア
光強度(mW/cm2)=((242.5E−6A/0.2928A/W)*1000)/0.419cm2=1.98mW/cm2
溶液中のPA領域=2.475cm2
入射mW全体=(1.98mW/cm2)*(2.475cm2)=4.90mW
光子/秒=[(4.90mW)*(520nm)*1013]/1.987=1.28E16光子/秒
IPCE:
0分〜140分(8400秒)
1.56マイクロモルの生成された水素
H2中の3.12E−6mol電子
H2中の1.88E18電子
0分〜140分(8400秒)
(1.28E16光子/秒)*8400秒=1.07E20光子
IPCE=(H2中の1.88E18電子)/(1.07E20入射光子)=0.0176
LHE=1−(10−A)
光電アノードの520nmでの吸収=0.210
LHE=1−(10−0.120)=0.383
量子収率=IPCE/LHE=0.0176/0.383=0.0460
量子収率=4.6%。
別の実施形態において、本発明は、上記の太陽エネルギーおよび光電アノード系を用いた、閉鎖系における低価値/低エネルギーの有機物質から高価値/高エネルギーの有機物質へのインサイチュ変換のための方法を含む。上記光電アノードの出力側からの電流、および上記燃料、および補酵素NADまたはNADP、および上記光電アノードの入力成分を構成する関連酵素を用いる水素の合成は、上記で議論されるとおりである。
a.水性媒体中で作動する色素感受性ナノ粒子光電アノードからなる、電気化学半電池であって、この電気化学半電池は、電子を上記光電アノードにおいて上記光酸化色素に付与し、それによってそれ自体は酸化される還元剤NADHまたはNADPHを含む、電気化学半電池。この半電池はまた、適切な酵素(NADHレベルまたはNADPHレベルを維持する還元当量を提供する)と組み合わせて適切な還元炭素または他の燃料物質を含む。光中で、この区画の上記酸化還元平衡は、高度に酸化に傾く。それは、図12において左に示される。
(光電アノード)
上記光電アノード(図12の左)の1つの構成要素は、導電性表面であり、この導電性表面は、光に対して透過性であり得る。スズドープ酸化インジウムコーティングガラスまたはスズドープ酸化インジウムコーティング溶融シリカは、透過性伝導材料の例である。この材料の表面は、広帯域ギャップの半透過性ナノ粒子の層で覆われている。適切な材料の例は、二酸化スズおよび二酸化チタンである。上記ナノ粒子の表面上に、光吸収増感色素(図12におけるS)の層が堆積される。この物質は、上記電池が使用される励起光源が顕著なプロトン束を有するスペクトル範囲の光を、吸収する。その最低励起状態(一重項、三重項)のうちのいくらかのエネルギーおよびその第1の酸化電位は、上記一重項または三重項が、電子を上記ナノ粒子表面に注入して、S+を生じることが、エネルギー的に可能であるようなものである。この事象は、上記酸化増感剤S+、および上記ナノ粒子層を通って上記導電性表面へ、そして従って、外部の電気的回路へと移動する可動性電子の形成を引き起こす。上記増感剤Sは、適切な効率で電子をナノ粒子層に注入することが動力学的に可能なSの励起状態を与える構造的な配置において、ナノ粒子の表面に結合することを可能にする機能を所持している。
酸化還元共役対は、どちらの種が、酸化されるべき燃料物質に対して活性であるかに依存して、NADH/NAD+またはNADPH/NADP+からなる。混合物は、種々の燃料源に適応する適切な酵素とともに使用され得る。上記電池が、上記光電アノードの照射の際に作動すると、存在するNADHまたはNADPHは、NAD+かまたはNADP+かに変換される。このプロセスにおいて、2つの電子が、上記酸化増感剤S+によってNADHまたはNADPHから除かれ、Sを再生し、そして電子は、上記外部回路を通って通過する。上記燃料物質は、適切な酵素と協力して、上記NADHまたはNADPHを再生し、そしてそれ自体は酸化される。従って、Sは、光触媒として再利用され、そしてNADHまたはNADPHは、再利用され、そして上記回路を通って流れる電子は、上記ヒドロゲナーゼによって使用されて、プロトンから水素を生成する。
上記半電池の電解液は、本質的には水性であり、上記光電アノード、酸化還元共役対およびヒドロゲナーゼが、上記のように機能し得る環境を提供する。上記電解液は、任意の必要な緩衝液、塩または上記電池の安定な作動を確実にするために必要な他の物質を含む。上記電解液は、上記2つの区画において異なり得、そして各区画において、上記酸化還元酵素の性能に対して最適化され得る。
適切な電気コンジットを通って、上記光電アノード電子から上記ヒドロゲナーゼ(例えば、図12におけるNiFeヒドロゲナーゼ)へと流れる電子は、化学方程式:2H++2e−→H2に従ってプロトンおよび電子から水素の合成を駆動するために充分な、還元電位を有する。上記ヒドロゲナーゼ酵素としては、例えば、Escherichia.coli、Nostoc muscorum、Rhodospirillum rubrum、Rhodobacter capsulatus、Chromatium vinosumなどのような生物体由来のNiFeヒドロゲナーゼが挙げられるが、これらに限定されない。例えば、Clostridiium acetobutylicumなどのような生物体由来のFeのみのヒドロゲナーゼもまた、使用され得る。上記ヒドロゲナーゼ電極結合は、Reshadら(1999)Biochemistry 38:8992−8999によって、または改変電極および分子レベルの電気的接触技術を含む他の適切な手段によって記載されるようであり得る。
電子は、上記のように生成された水素によって、この触媒へと運ばれ、そして使用されてNADP+をNADPHへと還元する。必要な還元電位は、水素を介して上記光電アノードによって提供され、そしてNADP+/NADPH酸化還元共役対の還元を平衡に保つために充分である。
広範な種々のこれらの酵素は、生存生物体の還元的生合成経路において見出せる。選択される具体的な1つは、所望される高い値/エネルギーの還元される炭素含有化合物に依存する。
本発明は、上記に記載のように、既に開示されたか、または太陽光生物学的燃料電池の還元区画において酸素還元カソードと並行に繋がれた、上記光電アノードおよび燃料源を用いて、図12に示されるように使用され得る。これは、特定のヒドロゲナーゼ酵素は、酸素の存在下ではそれらが阻害されるという点で自己調節性であることから、可能である。酸化的条件において、上記デバイスは、上記光電アノードから上記カソードへの電流を有する光エネルギーから電気エネルギーへの変換デバイスとして作用する。酸素が存在しない場合または酸素濃度が低い場合、上記カソードへ流れる電流は、(酸素が消費される場合に)遅く、上記ヒドロゲナーゼ酵素の酸素阻害は、減少され、そして水素合成およびNADPH生成は、促進される。この様式で、機能すると、上記還元区画において、水素およびNADPHおよび還元される燃料化合物は、エネルギー貯蔵媒体であり、そして上記系は、水素に対する適切なエネルギー密度のための固体状態の媒体を組み込み得る。
Claims (47)
- 水素を生成するための方法であって、該方法は、以下:
光生物燃料電池を提供する工程であって、該光生物燃料電池は、以下:
a.水性媒体中で作動する色素増感された光電アノードを含む電気化学的半電池であって、該媒体は、NADH、燃料、および酵素を含み、該酵素は、NADHレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池;
b.電極であって、該電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体により該光電アノードに接続される、電極;および
c.光源、
を含む、工程;ならびに
光を用いて該光電アノードを照らし、それによって水素を生成する工程、
を包含する、方法。 - 前記光電アノードが、スズドープ酸化インジウムでコーティングされたガラスを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記光電アノードが、さらに、半導体ナノ粒子の層を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記ナノ粒子が、酸化スズを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記ナノ粒子が、二酸化チタンを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記光電電極が、スズドープ酸化インジウムでコーティングされた溶融シリカを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記光電電極が、さらに、半導体ナノ粒子の層を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記ナノ粒子が、酸化スズを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記ナノ粒子が、二酸化チタンを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記触媒が、ヒドロゲナーゼである、請求項1に記載の方法。
- 前記デドロゲナーゼが、NiFeヒドロゲナーゼである、請求項10に記載の方法。
- 前記触媒が、白金を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記触媒が、E−TEK Pt/Cである、請求項12に記載の方法。
- 前記触媒結合電極が、光電アノード半電池内に含まれる、請求項1に記載の方法。
- 前記触媒結合電極が、半透性デバイスを介して光電アノード半電池に結合される、請求項1に記載の方法。
- 前記半透性デバイスが、膜、フリット、および塩橋からなる群より選択される、請求項15に記載の方法。
- 前記燃料が、還元炭素である、請求項1に記載の方法。
- 水素を生成するための方法であって、該方法は、以下:
光生物燃料電池を提供する工程であって、該光生物燃料電池は、以下:
a.水性媒体中で作動する色素増感された光電アノードを含む電気化学的半電池であって、該媒体は、NADPH、燃料、および酵素を含み、該酵素は、NADPHレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池;
b.電極であって、該電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体により該光電アノードに接続される、電極;および
c.光源、
を含む、工程;ならびに
光を用いて該光電アノードを照らし、それによって水素を生成する工程、
を包含する、方法。 - 前記光電アノードが、スズドープ酸化インジウムでコーティングされたガラスを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記光電電極が、さらに、半導体ナノ粒子の層を含む、請求項19に記載の方法。
- 前記ナノ粒子が、酸化スズを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記ナノ粒子が、二酸化チタンを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記光電電極が、スズドープ酸化インジウムでコーティングされた溶融シリカを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記光電電極が、さらに、半導体ナノ粒子の層を含む、請求項23に記載の方法。
- 前記ナノ粒子が、酸化スズを含む、請求項24に記載の方法。
- 前記ナノ粒子が、二酸化チタンを含む、請求項24に記載の方法。
- 前記触媒が、ヒドロゲナーゼである、請求項18に記載の方法。
- 前記ヒドロゲナーゼが、NiFeヒドロゲナーゼである、請求項27に記載の方法。
- 前記触媒が、白金を含む、請求項27に記載の方法。
- 前記触媒が、E−TEK Pt/Cである、請求項29に記載の方法。
- 前記触媒結合電極が、光電アノード半電池内に含まれる、請求項18に記載の方法。
- 前記触媒結合電極が、半透性デバイスを介して光電アノード半電池に結合される、請求項18に記載の方法。
- 前記半透性デバイスが、膜、フリット、および塩橋からなる群より選択される、請求項32に記載の方法。
- 前記燃料が、還元炭素である、請求項18に記載の方法。
- 低エネルギー有機物質を高エネルギー物質に変換するための方法であって、該方法は、以下:
電気化学燃料電池を提供する工程であって、該電気化学燃料電池は、以下:
a.水性媒体中で作動する色素増感されたナノ粒子の光電アノードを含む電気化学的半電池であって、該媒体は、NADH、低エネルギー燃料物質、および酵素を含み、該酵素は、NADHレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池;
b.電極、NADP依存性ヒドロゲナーゼ、触媒、およびNADP依存性オキシドレダクターゼ酵素を含む区画であって、該電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体により該光電アノードに接続され、ここで該区画は、半透性デバイスにより該電気化学的半電池に結合される、区画;および
c.光源、
を含む、工程;ならびに
光を用いて該光電アノードを照らし、それによって該低エネルギー燃料物質を高エネルギー燃料物質に変換する工程、
を包含する、方法。 - 前記触媒が、ヒドロゲナーゼを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記ヒドロゲナーゼが、NiFeヒドロゲナーゼである、請求項36に記載の方法。
- 前記触媒が、白金を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記触媒が、E−TEK Pt/Cである、請求項38に記載の方法。
- 低エネルギー有機物質を高エネルギー物質に変換するための方法であって、該方法は、以下:
電気化学燃料電池を提供する工程であって、該電気化学燃料電池は、以下:
a.水性媒体中で作動する色素増感されたナノ粒子の光電アノードを含む電気化学的半電池であって、該媒体は、NADPH、低エネルギー燃料物質、および酵素を含み、該酵素は、NADPHレベルを維持するために、減少する当量を提供するために選択される、電気化学的半電池;
b.電極、NADP依存性ヒドロゲナーゼ、触媒、およびNADP依存性オキシドレダクターゼ酵素を含む区画であって、該電極は、触媒に電気的に結合され、かつ電気伝導体により該光電アノードに接続され、ここで該区画は、半透性デバイスにより該電気化学的半電池に結合される、区画;および
c.光源、
を含む、工程;ならびに
光を用いて該光電アノードを照らし、それによって該低エネルギー燃料物質を高エネルギー燃料物質に変換する工程、
を包含する、方法。 - 前記触媒が、ヒドロゲナーゼを含む、請求項40に記載の方法。
- 前記ヒドロゲナーゼが、NiFeヒドロゲナーゼである、請求項41に記載の方法。
- 前記触媒が、白金を含む、請求項40に記載の方法。
- 前記触媒が、E−TEK Pt/Cである、請求項43に記載の方法。
- 前記光電アノードが、フッ素酸化スズコーティングされた溶融シリカを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記光電アノードが、フッ素酸化スズコーティングされたガラスを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記光電アノードが、フッ素酸化スズコーティングされた溶融シリカを含む、請求項18に記載の方法。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101126190B1 (ko) * | 2009-11-10 | 2012-06-20 | 광주과학기술원 | 광생물 전기화학적 수소발생장치 및 이의 동작방법 |
JP2014532812A (ja) * | 2011-11-08 | 2014-12-08 | ザ ユニヴァーシティー コート オブ ザ ユニヴァーシティー オブ グラスゴーThe University Court Of The University Of Glasgow | 酸素及び/又は水素の電気化学的発生のための装置及び方法 |
Families Citing this family (41)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007086918A2 (en) * | 2005-05-16 | 2007-08-02 | Montana State University | Composite nanomaterials for photocatalytic hydrogen production and methods of their use |
CN100415661C (zh) * | 2006-10-26 | 2008-09-03 | 上海交通大学 | 紫外光光电催化氧化有机物的方法 |
US9688718B2 (en) | 2008-01-11 | 2017-06-27 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Nanolipoprotein particles comprising hydrogenases and related products, methods and systems |
KR100999080B1 (ko) * | 2008-05-07 | 2010-12-08 | 한국에너지기술연구원 | 튜브형 티타니아 광어노드와 엔자임 활용 평판형수조제조장치 |
CN102149852A (zh) * | 2008-06-18 | 2011-08-10 | 麻省理工学院 | 用于水电解及其它电化学技术的催化材料、电极和系统 |
FI121928B (fi) | 2008-10-08 | 2011-06-15 | Teknillinen Korkeakoulu | Sähköntuottojärjestelmä |
US10151037B2 (en) | 2009-01-12 | 2018-12-11 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Electrochemical flow-cell for hydrogen production and nicotinamide dependent target reduction, and related methods and systems |
CN102317244A (zh) * | 2009-01-29 | 2012-01-11 | 普林斯顿大学 | 二氧化碳转化至有机产物 |
US8105474B2 (en) * | 2009-08-18 | 2012-01-31 | Gas Technology Institute | Photo-electro-refining of bio-oil to biofuel and hydrogen |
EP2527495B1 (en) * | 2010-01-22 | 2017-05-31 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Hydrogen generation device |
US8500987B2 (en) | 2010-03-19 | 2013-08-06 | Liquid Light, Inc. | Purification of carbon dioxide from a mixture of gases |
US8721866B2 (en) | 2010-03-19 | 2014-05-13 | Liquid Light, Inc. | Electrochemical production of synthesis gas from carbon dioxide |
US8845877B2 (en) * | 2010-03-19 | 2014-09-30 | Liquid Light, Inc. | Heterocycle catalyzed electrochemical process |
US20130244123A1 (en) * | 2010-04-21 | 2013-09-19 | Brown University | Biocathode-photoanode device and method of manufacture and use |
US20130029016A1 (en) * | 2010-04-22 | 2013-01-31 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Beverage carbonator and method for producing such carbonated beverage |
US8524066B2 (en) * | 2010-07-29 | 2013-09-03 | Liquid Light, Inc. | Electrochemical production of urea from NOx and carbon dioxide |
US8845878B2 (en) | 2010-07-29 | 2014-09-30 | Liquid Light, Inc. | Reducing carbon dioxide to products |
US8961774B2 (en) | 2010-11-30 | 2015-02-24 | Liquid Light, Inc. | Electrochemical production of butanol from carbon dioxide and water |
US8568581B2 (en) | 2010-11-30 | 2013-10-29 | Liquid Light, Inc. | Heterocycle catalyzed carbonylation and hydroformylation with carbon dioxide |
US9090976B2 (en) | 2010-12-30 | 2015-07-28 | The Trustees Of Princeton University | Advanced aromatic amine heterocyclic catalysts for carbon dioxide reduction |
US8562811B2 (en) | 2011-03-09 | 2013-10-22 | Liquid Light, Inc. | Process for making formic acid |
CN102231449B (zh) * | 2011-04-21 | 2013-10-23 | 华东理工大学 | 一种基于量子点、二氧化钛和酶的光电化学生物燃料电池的制备方法 |
EP2729600A2 (en) | 2011-07-06 | 2014-05-14 | Liquid Light, Inc. | Carbon dioxide capture and conversion to organic products |
BR112014000052A2 (pt) | 2011-07-06 | 2017-02-07 | Liquid Light Inc | redução de dióxido de carbono em ácidos carboxílicos, glicóis e carboxilatos |
US9644038B2 (en) | 2011-12-21 | 2017-05-09 | The Regents Of The University Of California | Apolipoprotein nanodiscs with telodendrimer |
WO2013133338A1 (ja) * | 2012-03-08 | 2013-09-12 | 国立大学法人東京大学 | 光水分解反応用電極およびその製造方法 |
CA2885929C (en) * | 2012-09-26 | 2021-12-07 | President And Fellows Of Harvard College | Hydroquinone flow batteries |
US9614245B2 (en) | 2013-06-17 | 2017-04-04 | University Of Southern California | Inexpensive metal-free organic redox flow battery (ORBAT) for grid-scale storage |
WO2014204772A1 (en) * | 2013-06-20 | 2014-12-24 | The Regents Of The University Of California | Self-biased and sustainable microbial electrohydrogenesis device |
CA2925478C (en) | 2013-09-26 | 2022-08-30 | President And Fellows Of Harvard College | Quinone and hydroquinone based rechargable battery |
CN103952717A (zh) * | 2014-05-07 | 2014-07-30 | 北京化工大学 | 一种光电化学分解水与有机合成相互耦合的串联反应设计方法 |
WO2017044899A1 (en) | 2015-09-11 | 2017-03-16 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Synthetic apolipoproteins, and related compositions methods and systems for nanolipoprotein particles formation |
KR102434752B1 (ko) * | 2016-02-17 | 2022-08-23 | 한국과학기술원 | 광전기화학적 전지(PEC cell)를 이용한 보조인자 재생방법 |
BE1023865B1 (fr) * | 2016-02-23 | 2017-08-24 | H2Win S.A. | Dispositif photo-catalytique pour la production d'hydrogene gazeux |
WO2018032003A1 (en) | 2016-08-12 | 2018-02-15 | President And Fellows Of Harvard College | Aqueous redox flow battery electrolytes with high chemical and electrochemical stability, high water solubility, low membrane permeability |
KR101990952B1 (ko) * | 2016-08-31 | 2019-06-20 | 한국과학기술원 | 요〔尿〕를 이용한 광전기화학 전지 |
US10840532B2 (en) | 2017-01-27 | 2020-11-17 | President And Fellows Of Harvard College | Flow battery with electrolyte rebalancing system |
WO2018204421A2 (en) | 2017-05-02 | 2018-11-08 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Momp telonanoparticles, and related compositions, methods and systems |
AU2018284231A1 (en) * | 2017-06-13 | 2020-01-30 | Steven C. CARDONA | System and methods for the production of hydrogen gas |
CN112204789A (zh) | 2018-02-09 | 2021-01-08 | 哈佛大学校长及研究员协会 | 用作水性氧化还原液流电池中的电解质的具有高容量保持率的醌 |
US11557786B2 (en) | 2018-10-01 | 2023-01-17 | President And Fellows Of Harvard College | Extending the lifetime of organic flow batteries via redox state management |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS55141195A (en) * | 1979-04-20 | 1980-11-04 | Mitsubishi Petrochem Co Ltd | Preparation of hydrogen using hydrogenase |
JPH05163002A (ja) * | 1991-12-16 | 1993-06-29 | Hakugen:Kk | グラナを用いた水素の製造方法 |
JPH11246985A (ja) * | 1998-03-04 | 1999-09-14 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光電極及びその作製方法ならびに水素製造装置 |
JP2003504799A (ja) * | 1999-07-05 | 2003-02-04 | エコル ポリテクニク フェデラル ドゥ ローザンヌ (エペエフエル) | 可視光による水開裂用のタンデム電池 |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6033298B2 (ja) * | 1978-05-26 | 1985-08-02 | 富士写真フイルム株式会社 | 電極光再生型光充電式半電池及びそれを用いた光化学電池 |
US4490464A (en) * | 1981-04-08 | 1984-12-25 | Gorton Lo G | Electrode for the electrochemical regeneration of coenzyme, a method of making said electrode, and the use thereof |
ATE231652T1 (de) * | 1998-07-09 | 2003-02-15 | Univ Michigan State | Elektrochemisches verfahren zum erzeugen einer biologischen protontriebkraft und regenerierung des pyridin-nucleotid cofaktors |
AUPR795401A0 (en) * | 2001-09-28 | 2001-10-18 | University Of Queensland, The | Components based on melanin and melanin-like bio-molecules and processes for their production |
JP2005520304A (ja) * | 2002-03-14 | 2005-07-07 | アリゾナ ボード オブ リージェンツ | 電流発生のための酵素ベースの光電気化学電池 |
WO2005003369A2 (en) * | 2003-05-23 | 2005-01-13 | The Arizona Board Of Regents | Methods for detection and quantification of analytes |
-
2004
- 2004-06-01 JP JP2006533553A patent/JP2007516577A/ja active Pending
- 2004-06-01 WO PCT/US2004/017463 patent/WO2004112214A2/en active Application Filing
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS55141195A (en) * | 1979-04-20 | 1980-11-04 | Mitsubishi Petrochem Co Ltd | Preparation of hydrogen using hydrogenase |
JPH05163002A (ja) * | 1991-12-16 | 1993-06-29 | Hakugen:Kk | グラナを用いた水素の製造方法 |
JPH11246985A (ja) * | 1998-03-04 | 1999-09-14 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光電極及びその作製方法ならびに水素製造装置 |
JP2003504799A (ja) * | 1999-07-05 | 2003-02-04 | エコル ポリテクニク フェデラル ドゥ ローザンヌ (エペエフエル) | 可視光による水開裂用のタンデム電池 |
Non-Patent Citations (8)
Title |
---|
JPN5006015568, T. Yagi et al., "ATTEMPTS TO PRODUCE HYDROGEN BY COUPLING HYDROGENASE AND CHLOROPLAST PHOTOSYSTEM", Advances in Hydrogen Energy, 1979, 1(Hydrogen Energy Syst., Vol.3), p.1293−1307 * |
JPN5006015574, DE LA GARZA, L, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B, 200309, V107 N37, P10252−10260 * |
JPN6010073452, Hideo OCHIAI et al., "Photocurrent by Immobilized Chloroplast Film Electrode", Agric. Biol. Chem., 1979, 43(4), p. 881−883 * |
JPN6010073453, John Handman et el., "Photochemical dehydrogenation of ethanol in dilute aqueous solution", NATURE, 1984, 307(9), p.534−535 * |
JPN6010073454, ANTHONY HARRIMAN, "METALLOPORPHYRIN−PHOTOSENSITIZED FORMATION OF HYDROGEN FROM ORGANIC AND INORGANIC SUBSTRATES", Journal of Photochemistry, 1985, 29, p.139−150 * |
JPN6010073455, ITAMAR WILLNER et al., "Enzyme−catalysed biotransformations through photochemical regeneration of nicotinamide cofactors", Enzyme Microb. Technol., 1989, 11, p.467−483 * |
JPN6010073456, V. H. Houlding, "Photochemical H2 Generation by Visible Light. Sensitization of TiO2 Particles by Surface Complexatio", J. Am. Chem. Soc., 1983, 105, p.5695−5696 * |
JPN6010073457, Takeo Shimidzu, "An Advanced Visible−Light−Induced Water Reduction with Dye−Sensitized Semiconductor Powder Catalyst", J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, p.35−41 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101126190B1 (ko) * | 2009-11-10 | 2012-06-20 | 광주과학기술원 | 광생물 전기화학적 수소발생장치 및 이의 동작방법 |
JP2014532812A (ja) * | 2011-11-08 | 2014-12-08 | ザ ユニヴァーシティー コート オブ ザ ユニヴァーシティー オブ グラスゴーThe University Court Of The University Of Glasgow | 酸素及び/又は水素の電気化学的発生のための装置及び方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20070184309A1 (en) | 2007-08-09 |
WO2004112214A2 (en) | 2004-12-23 |
WO2004112214A3 (en) | 2005-09-15 |
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