要想透過人工光合作用利用太陽能還原二氧化碳將其資源化，關鍵在於吸收光從電子源向觸媒傳遞電子的光敏化劑的性能。此前通常採用使單一分子來實施光敏化劑，但單一分子在兼具優秀的可見光吸收能力和耐久性等多性能方面存在侷限性。
東京大學研究生院綜合文化研究科的瀧澤進也助教、村田滋名譽教授、寺尾潤教授等人明確了開發人工光合作用所需兼具優秀的可見光吸收能力和高耐久性的光敏化劑的新開發方針。利用易於控制物質性質的銥（Ir）錯合物作爲光敏化劑，將正負兩種Ir錯合物配對，使其功能互補，從而成功地提高了性能。該方法不僅限於Ir錯合物，還有望應用於地球上豐富存在的其他金屬錯合物和不含金屬的有機化合物，可爲人工光合作用技術的開發做出貢獻。相關研究結果已發表在《Journal of the American Chemical Society》上。
圖1合成的離子對構造和能量的轉移（供圖： 東京大學）
研究團隊此次考慮利用易於控制物質性質的Ir錯合物作爲光敏化劑，利用庫侖力使正負兩種Ir錯合物靠近，互補彼此功能。首先，選出具有不同特徵的正電荷的陽離子Ir錯合物和具有負電荷的陰離子Ir錯合物在甲醇中混合，就可以輕鬆形成相應的離子對。陽離子Ir錯合物儘管其可見光吸收能力較差，但作爲CO2還原反應的光敏化劑可以相對穩定地起作用，而陰離子Ir錯合物作爲光敏化劑單獨使用時的耐久性較差，但是透過在骨架中加入香豆素6有機色料，它的可見光吸收能力就變得格外優秀。
研究人員將核磁共振光譜量測方法應用到此次合成的離子對上，發現兩種 Ir 錯合物實際上在三氯甲烷中相互靠近，並明確了其排列方式。此外，透過利用這些錯合物吸收光時的發光性質，還發現了能量從吸收光後處於高能量狀態的陰離子 Ir錯合物有效地轉移到了陽離子Ir錯合物。也就是說，陰離子錯合物作爲可見光收集天線幫助陽離子錯合物獲得可見光，而陽離子錯合物幫助陰離子錯合物提高耐久性。
研究人員將離子對實際用作CO2還原反應的光敏化劑。具體做法是將離子對與錸催化分子一起導入到囊泡（vesicle）的脂質雙分子膜表面，將抗壞血酸離子作爲電子源添加後，在反應容器内充滿CO2的狀態下照射可見光。在通常的CO2光還原反應通常使用的溶劑中，離子對被溶劑分子包圍而分開，無法發揮出所期待的效果，所以此次使用了脂質雙分子膜。透過利用脂質雙分子膜還可以在水中進行CO2光還原反應。
驗證實驗的結果發現，作爲CO2還原產物產生的一氧化碳比分別單獨引入陽離子Ir錯合物或陰離子Ir錯合物作爲光敏化劑的反應更多。
此外，透過分光學方法追蹤反應溶液的情況，發現與單獨使用陰離子Ir錯合物的反應相比，陰離子部分的分解得到了顯著抑制。這表明離子對效應實際反映在光敏化劑高性能化上的重要成果。
使用本次研究的方法，無需花費費用和時間合成兩個分子透過共價鍵連接的複雜化合物，只要擁有市售或容易合成的合適分子，只需將它們混合就可以合成離子對。如果是帶有正電荷或負電荷的分子，則可以綜合地研究多種組合，探索更優異的光敏化劑。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Journal of the American Chemical Society
論文：Ion Pairing of Cationic and Anionic Ir（III） Photosensitizers for Photocatalytic CO2 Reduction at Lipid-Membrane Surfaces
DOI：10.1021/jacs.3c03625
