生体触媒による排ガスおよび大気レベル低濃度CO₂の資源化―酸化還元酵素の卓越した機能を利用した脱炭素技術の実現―

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2026-08-24 京都大学

京都大学の研究グループは、ギ酸脱水素酵素(FoDH1)を生体触媒として利用し、排ガスや大気中の低濃度CO₂をギ酸へ変換するバイオデバイスを開発した。酵素と電極を直接電子移動させるDET型反応に、気体を直接反応場へ供給できるガス拡散電極(GDE)を組み合わせることで、従来課題だったCO₂の溶解・拡散による反応速度低下を改善した。実験では、排ガスに相当する10%以下のCO₂濃度でも高い還元活性を示し、さらに大気中濃度である約0.04%のCO₂でも明瞭な還元反応を確認した。高温・高圧を必要とする無機触媒法に対し、酵素の高い選択性を利用して常温・常圧でCO₂を資源化できる可能性を示した成果であり、低濃度CO₂の直接回収・有価物変換を一体化した省エネルギー型の脱炭素技術につながると期待される。

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FoDH1によるガス状CO₂からギ酸への資源化 ©️京都大学(イラストレーター:田中花音)

<関連情報>

低濃度CO2条件下での効率的なCO2/ギ酸変換に向けた直接電⼦移動型ガス拡散型電極の構築 Direct Electron Transfer-Type Gas Diffusion Electrode for Efficient CO2-to-Formate Bioconversion across Broad and Low CO2 Levels

Ami Kobayashi;Taiki Adachi;Konatsu Ichikawa;Yuki Kitazumi;Osamu Shirai;Keisei Sowa

ACS Omega  Published:August 03, 2026

DOI:https://doi.org/10.1021/acsomega.6c02909

Abstract

Bioelectrocatalytic CO2 reduction to value-added chemicals offers a sustainable route for carbon recycling; however, achieving high activity under low CO2 conditions remains a major challenge. Herein, we report a direct electron transfer (DET)-type gas diffusion electrode (GDE) utilizing formate dehydrogenase 1 (FoDH1) from Methylorubrum extorquens AM1 for efficient CO2-to-formate conversion across a broad range of low CO2 levels. The electrode surface was modified with pyrene derivatives using multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) to tailor the enzyme–electrode interface, enabling favorable enzyme orientation for rapid electron transfer. A 1-pyrenemethylamine (PyNH2)-modified GDE with FoDH1 exhibited a current density of −1.2 mA cm–2 at a reduction potential of −0.9 V, which was twice that of the pristine electrode, and generated formate with a Faradaic efficiency of 82 ± 5%, outperforming previously reported GDE systems. Kinetic analyses under controlled CO2 conditions (0.04–100%) revealed a notably low apparent Michaelis constant (KM,app) of 2.6 ± 0.3%, which is less than one-third of that of the solution system, indicating high CO2 affinity. This enhancement is attributed to the direct supply of gaseous CO2 to the catalytic layer, avoiding equilibrium limitations in the electrolyte solution. These results lead to a promising tool for enzymatic CO2 reduction using emission gases from industrial sources and provide key design principles for practical CO2-recycling technologies.

生物化学工学
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