光エネルギーによって二酸化炭素を変換する光触媒の開発

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スポットライトリサーチ

光エネルギーによって二酸化炭素を変換する光触媒の開発

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第68回のスポットライトリサーチは、東京工業大学理工学研究科化学専攻石谷・前田研究室の中田明伸さんにお願いしました。

石谷・前田研究室では、光化学・金属錯体化学・材料科学の融合により光エネルギーを有効利用することを目標に、実に多岐にわたる研究が展開されています。そこで行われた研究により中田さんはこの度、2016年光化学討論会最優秀学生発表賞(口頭)を受賞されました。受賞対象となった研究についてインタビューさせていただきましたので、紹介したいと思います！

Q1. 今回の受賞対象となったのはどんな研究ですか？

私は、「光エネルギーによってCO₂を変換する光触媒の開発」を行っています。

当研究室では以前、可視光を吸収し電子移動を駆動する光増感剤として機能するRu^II(bpy)₃と、CO₂を選択的に還元する触媒として機能するRu^II(bpy)(CO)₂Cl₂を炭素鎖によって連結した複核錯体が、CO₂のギ酸への還元反応を可視光駆動する優れた光触媒であることを報告しています。しかし、CO₂を還元する金属錯体光触媒は光酸化力が弱いという欠点があり、反応に強い電子ドナーが必要であることが問題でした。この課題を解決するために、私は可視光に応答し様々な酸化反応を駆動できる酸窒化物半導体TaONに着目しました。今回の受賞研究では、Ru^II複核金属錯体をTaONと複合化した新しい光触媒材料を開発することで、前者ではCO₂の還元、後者ではメタノールのホルムアルデヒドへの酸化を、可視光エネルギーのみで同時に駆動することを達成しました(図)。これは緑色植物の光合成における「Z-スキーム」と呼ばれる機構を模倣しており、二つの異なる光触媒材料が共にエネルギーの低い可視光を吸収することで、強い電子ドナーなしにCO₂のギ酸への変換を可能にしました。

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

豊富でクリーンな資源である水を、金属錯体を用いたCO₂還元の反応場にすることは1980年代から長年の課題でした。しかしこれまでは反応を駆動するために必須である電子源として適切なものがなかったために、水中で光触媒を正しく評価し、優れた光触媒を開発することが困難でした。私は「金属錯体光触媒の真のポテンシャルを発揮できる電子源の開発」に成功し、水溶液中で効率よく機能する金属錯体を見出せたことが今回の成果につながっていると考えています。初めて多量のCO₂還元生成物(この時はCO)をガスクロマトグラフィで検出できた時に感動したのを覚えています。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか？またそれをどのように乗り越えましたか？

未だ乗り越えられていないのですが…、光触媒によるCO₂還元の一つのゴールは水の酸化反応と組み合わせ、水を電子源として駆動することです。これが達成できれば、「光触媒、水、光エネルギーのみでCO₂を変換する究極にクリーンな反応」を実現することができます。それぞれ安定な化合物であるCO₂とH₂Oを同時に酸化還元することは難しいですが、光触媒材料を改良して何としてもこれを達成すべく検討を重ねています。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか？

私の最大の幸運は、石谷治教授と前田和彦准教授の二人からご指導を受けられていることです。石谷先生は金属錯体、前田先生は半導体光触媒のスペシャリストですので、一つの研究室にいながら全く異なる材料を組み合わせた研究を進めることが容易でした。この領域横断研究の重要性を忘れずに、様々な材料を適切に扱う経験をいただいた私にしかできない、「光エネルギーによる新しい物質変換の研究」に将来取り組んでいきたいです。