東京科學大學理學院化學系博士一年級學生山本悠可與前田和彥教授等人的研究團隊，開發出一種能夠使用以往無法利用的可見光波長的新型染料敏化光觸媒，並成功將太陽能電解水產生氫氣的能量轉換效率提升至原來的約兩倍。相關成果已刊登在《ACS Catalysis》上。
圖1 新開發的染料敏化光觸媒示意圖。該圖被選為《ACS Catalysis》的封面。（供圖：東京科學大學）
圖2 釕配合物與鋨配合物的分子結構（上）；單重態——單重態躍遷與單重態——三重態躍遷（下）。（供圖：東京科學大學）
太陽光包含多種波長的光，要將其用於製氫，首先需要通過光敏化劑吸收發光能量。此前，以釕配合物作為光敏化劑的染料敏化光催化體系已被廣泛研究，並被證實了該體系在分解水並生成氫氣的反應中具有較高的性能。
前田教授的團隊此前已開發出了一種染料敏化光觸媒，將能夠吸收可見光的釕配合物吸附在氧化物奈米片HCa₂Nb₃O10上，利用可見光成功實現了製氫反應。然而，用於染料敏化光觸媒的典型釕配合物只能吸收波長約600奈米以內的可見光，因此，為了利用更長波長的光，需要新的設計思路。
研究團隊此次成功開發出了可以利用以往無法利用的長波長區域（600～800奈米）可見光的新型染料敏化光觸媒。團隊通過將既往釕配合物的中心金屬替換為原子更重的鋨，使重原子效應得以發揮，從而誘導在釕配合物中不顯著的電子自旋翻轉激發——即單重態-三重態激發。通過利用該機制，證實可以有效利用傳統釕配合物體系無法吸收的600～800奈米長波長光。在可見光照射條件下進行的製氫反應中，該新型體系表現出高於釕配合物體系的表觀量子效率，並實現了0.21%的太陽能能量轉換效率，約為以往體系的兩倍。
該研究證明，通過利用以往未能有效利用的太陽光長波長成分，可以更高效地將太陽能轉化為氫能。研究還表明，藉助鋨配合物的三重態激發，能夠實現對長波長光的有效利用。未來，研究團隊計畫通過更加精細的分子設計來優化配合物結構，從而推動可利用成本更低、資源限制更小的還原劑的太陽能製氫系統的實現。
在以金屬配合物承擔光吸收的發光能量轉換體系中，應用領域已有染料敏化太陽能電池，基礎研究領域則包括能夠將二氧化碳轉化為有用物質的光催化體系。本次研究成果有望促進不同領域的發光能量轉換材料進一步發展。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Catalysis
論文：Charge Transfer Dynamics in Dye-Sensitized Photocatalysts Using Metal Complex Sensitizers with Long-Wavelength Visible Light Absorption Based on Singlet–Triplet Excitation
DOI：10.1021/acscatal.5c06687
