東京科學大學理學院化學系的前田和彥教授、Chomponoot Suppaso研究員等人的研究團隊確立了一種鉛-硫鍵配位聚合體的新合成方法，利用該方法成功合成出了固體光觸媒，將二氧化碳在可見光條件下轉化為甲酸的效率提升到了既往的約10倍。該研究成果已發表在期刊《Advanced Functional Materials》上。
圖1. [Pb(tadt)]n的合成方法（供圖：東京科學大學）
如果能夠活用可再生能源來源的光和電將CO₂轉化為有用物質，將是實現碳循環社會的重要一步。
研究團隊在以前的研究中發現，由可見光誘導的具有鉛-硫鍵的配位聚合體，可以用作以發光能量將二氧化碳轉化為甲酸的光觸媒。然而，可見光在配位聚合體中產生的電子和電洞的利用效率較低，表觀量子產率也低於3%。
此次研究發現，通過運用微波的溶液合成法可以得到纖維狀的配位聚合體。研究人員對合成溫度和時間進行優化後發現，與既往方法合成的柱狀配位聚合體相比，纖維狀配位聚合體具有更高的比表面積，作為電子和電洞復合中心的表面缺陷也更少。正因如此，纖維狀配位聚合體在維持99%以上的較高甲酸生成選擇性的同時，能夠以25%（照射波長400奈米）這一較高的表觀量子產率將CO₂轉化為甲酸。這是世界上利用可見光將CO₂轉化為甲酸的光觸媒中的最高值。
此外研究還發現，當將相同的配位聚合體固定在導電基底上用於CO₂電解時，該物質可以在每平方釐米300毫安的高電流密度下將CO₂轉化為甲酸。此時甲酸生成的法拉第效率超過90%，表明配位聚合體即使在這樣的高速電解條件下也能保持較高的甲酸生成選擇性。同時，既往的鉛基電極觸媒存在在高電流條件下會因水的還原反應同時生成氫，導致CO₂還原選擇性降低的問題，而使用配位聚合體的情況下幾乎不會生成氫，這表明該物質可用作CO₂還原的電極觸媒。
未來，通過對材料的進一步探索和合成方法的優化，有望構建一種以更少能量施加來驅動的新型觸媒體系。同時，這種配位聚合體成功實現了CO₂電解生產甲酸技術實際應用所需要的、在每平方釐米300毫安電流密度下的甲酸選擇性生成，因此它也為以電能還原CO₂提供了新的方向。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Advanced Functional Materials
論文：Fibrous Pb(II)-Based Coordination Polymer Operable as a Photocatalyst and Electrocatalyst for High-Rate, Selective CO₂-to-Formate Conversion
DOI：10.1002/adfm.202417223
