日本北陸先端科學技術大學院大學先端科學技術研究科環境和能源領域的講師桶葭興資等人，與東京大學研究生院的吉田亮教授合作，合成了具備電子傳遞分子的刺激響應性聚合物，並構築了透過聚合物相變加速電子傳遞的人工光合系統。
圖 作爲利用可見光能源完全分解水 (2H2O + hν → 2H2 + O2) 的反應場，有望構築在聚合物網路中配置功能性分子的發光能量轉換系統。
發生石油危機以來，爲實施永續發展社會，人工光合作用受到關注，相關研究人員研究了各種各樣的系統。不過，構建與水分子聯動的電子傳遞組織的方案以前從未有人提出過，這正是葉綠體所具備的光合系統的功能。因此，本研究爲了讓功能分子間的電子傳遞產生驅動力，設計了利用聚合物相變的人工光合系統。
首先，研究小組在刺激響應性聚合物聚N-異丙基丙烯酰胺（poly(NIPAAm)）中導入電子傳遞分子紫精（Viologen），發現聚合物的相變溫度因其氧化/還原狀態而異。這種聚合物聚（N-異丙基丙烯酰胺-co-紫精) 在一定溫度下，會隨着氧化/還原變化進行可逆的線圈-球體轉變，加速進行電子傳遞並生成氫氣。
施加發光能量時，紫精分子接收光激發電子後，其周邊的聚合物會變成疏水性。這些聚合物進入被界面活性劑分散的奈米粒子觸媒附近的疎水空間，並傳遞電子生成氫氣。實際上，在相變溫度附近，利用可見光能源的氫生成效率超過10％，實施了高量子效率。
在以前開發的利用溶液系統的人工光合作用中，由於功能性分子和奈米粒子觸媒在液相中呈無序分散狀態，因此電子傳遞也是無序的，隨着反應的進行，分子凝聚會引起功能降低的問題。而此次新開發的人工光合系統與之大不相同，由於顆粒之間存在聚合物，因此可以在抑制顆粒凝聚的同時，透過聚合物的相變加速電子傳遞。
聚合物相變現象被廣泛應用於柔性致動器和遞藥系統的開發，此次將其應用於發光能量轉換，具有劃時代的意義。利用此次的成果，有望構築基於可見光能源的人工光合系統「人工葉綠體」。
相關論文已發表在約翰威立出版社4月25日發行的《Angewandte Chemie International Edition》的網路版上。（日文發佈全文）
文：JST客觀日本編輯部
