パンクロマチックなオスミウム光増感剤による二酸化炭素の削減:人工光合成

パンクロマチックなオスミウム光増感剤による二酸化炭素の削減:人工光合成 化学

近年、光触媒を用いた二酸化炭素の削減が注目されています。

東京工業大学の研究者らは、可視光の全波長を吸収し、CO2を還元するパンクロマチック1紫外部から赤色部に至るまでの、ほぼ可視光線のすべてに感光する性質。コトバンクなレドックス2レドックス(redox) とは、還元(reduction)と酸化(oxidation)を合わせた造語で、文字通り酸化還元の意味である。化学生命科学研究所光増感剤3自らが光を吸収して得たエネルギーを他の物質に渡すことで、反応や発光のプロセスを助ける役割を果たす物質。として機能する新しいオスミウム錯体を開発しました。

研究チームは、この錯体をルテニウム(II)触媒と組み合わせ、CO2をギ酸に還元することに成功しました。

現在の気候とエネルギーの危機に対する解決策を見つけることは、世界中の共通の目標となっています。

身近なところに完璧な解決策があるのに、なぜ遠くに目を向ける必要があるのでしょうか?

科学者たちは、自然界を見習って、気候変動に対抗するために光合成のプロセスを再現しようとしています。

光合成は、植物が食物を作るのに役立つだけでなく、大気中の二酸化炭素(CO2)を捕らえて別の形に変換する主要な炭素吸収源の1つでもあります。

このため、人工光合成は、水素発生や水の酸化だけでなく、CO2の削減にも有効な方法となります。

CO2還元の多電子過程を開始するために必要なのは、可視光を吸収して電子移動を開始するレドックス光増感剤と、レドックス光増感剤から電子を受け取り、CO2を活性化し、最終的にこれらの電子をCO2に導入する触媒です。

太陽エネルギーを最大限に利用するためには、光増感剤が幅広い波長の光に敏感でなければなりません。

そのためには、可視光の全波長を吸収する材料であるパンクロマチックなレドックス光増感剤が必要となります。

ルテニウム錯体は、光を吸収し、金属からリガンドへの電荷移動によって「励起状態」になるレドックス光増感剤としてよく用いられます。

しかし、可視光の低エネルギー部分を吸収できないため、利用できません。

また、報告されている多くのパンクロマチック錯体は、励起状態の寿命が短すぎるため、フォトレドックス反応にも使用できません。

Chemical Scienceouter誌に掲載された最近の研究では、玉置 悠祐博士と石谷 治教授が率いる東京工業大学の研究者たちが、パンクロマチック光増感剤のフォトレドックス特性を改善するための新しい戦略を採用しました。

研究チームは、可視光の全波長域を吸収できる新しいオスミウム(Os)錯体を開発しました。

この錯体をレドックス光増感剤とし、ルテニウム錯体触媒を用いて、CO2をHCOOH(ギ酸)に還元する光触媒システムを開発しました。

石谷氏は、「私たちは、人工光合成を行うために、太陽の光を有効に利用できる光触媒システムを探していました。そこで注目したのが、オスミウムの重原子効果を利用したオスミウム錯体の光化学特性でした。オスミウム錯体の光物理学的特性、光化学的特性、光増感特性は未解明であったため、CO2還元の能力を検証することにしました。」と述べています。

紫外可視吸収スペクトルを見ると、オスミウム錯体は800nmまでの可視波長、すなわち赤色光も吸収していました。

また、このオスミウム錯体の励起状態の寿命は40nsと比較的長く、還元に必要な電子移動プロセスを開始するのに十分な長さでした。

光化学的な還元実験を行うため、チームは、オスミウムの光増感剤とルテニウムを組み合わせたものに770nmの光を照射しました。

このシステムは、光触媒によってCO2を良好な反応回転数でギ酸に還元しました。

この研究は、水からの水素生成や有機物のフォトレドックス反応など、他のさまざまな有用な光化学反応を実行するために、パンクロマチックなオスミウム光増感剤を使用することで拡張することができます。

「今回の研究の意義は2つあります。第一に、すべての可視光が光触媒によるCO2還元のエネルギーとして利用できることを実証したこと。第二に、重原子効果を利用して、広範囲の可視光を吸収できる新しいレドックス光増感剤を構築することができました。」と石谷氏は結論づけています。

Published by Tokyo Institute of Technology. Mari Irikura et al, Development of a panchromatic photosensitizer and its application to photocatalytic CO2 reduction, Chemical Science (2021). DOI: 10.1039/D1SC04045F