东京科学大学理学院化学系博士一年级学生山本悠可与前田和彦教授等人的研究团队，开发出一种能够使用以往无法利用的可见光波长的新型染料敏化光催化剂，并成功将太阳能电解水产生氢气的能量转换效率提升至原来的约两倍。相关成果已刊登在《ACS Catalysis》上。
图1 新开发的染料敏化光催化剂示意图。该图被选为《ACS Catalysis》的封面。（供图：东京科学大学）
图2 钌配合物与锇配合物的分子结构（上）；单重态——单重态跃迁与单重态——三重态跃迁（下）。（供图：东京科学大学）
太阳光包含多种波长的光，要将其用于制氢，首先需要通过光敏化剂吸收光能。此前，以钌配合物作为光敏化剂的染料敏化光催化体系已被广泛研究，并被证实了该体系在分解水并生成氢气的反应中具有较高的性能。
前田教授的团队此前已开发出了一种染料敏化光催化剂，将能够吸收可见光的钌配合物吸附在氧化物纳米片HCa₂Nb₃O10上，利用可见光成功实现了制氢反应。然而，用于染料敏化光催化剂的典型钌配合物只能吸收波长约600纳米以内的可见光，因此，为了利用更长波长的光，需要新的设计思路。
研究团队此次成功开发出了可以利用以往无法利用的长波长区域（600～800纳米）可见光的新型染料敏化光催化剂。团队通过将既往钌配合物的中心金属替换为原子更重的锇，使重原子效应得以发挥，从而诱导在钌配合物中不显著的电子自旋翻转激发——即单重态-三重态激发。通过利用该机制，证实可以有效利用传统钌配合物体系无法吸收的600～800纳米长波长光。在可见光照射条件下进行的制氢反应中，该新型体系表现出高于钌配合物体系的表观量子效率，并实现了0.21%的太阳能能量转换效率，约为以往体系的两倍。
该研究证明，通过利用以往未能有效利用的太阳光长波长成分，可以更高效地将太阳能转化为氢能。研究还表明，借助锇配合物的三重态激发，能够实现对长波长光的有效利用。未来，研究团队计划通过更加精细的分子设计来优化配合物结构，从而推动可利用成本更低、资源限制更小的还原剂的太阳能制氢系统的实现。
在以金属配合物承担光吸收的光能转换体系中，应用领域已有染料敏化太阳能电池，基础研究领域则包括能够将二氧化碳转化为有用物质的光催化体系。本次研究成果有望促进不同领域的光能转换材料进一步发展。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：ACS Catalysis
论文：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
