Newswise – 経済を支える炭素系燃料の需要の高まりに伴い、大気中の二酸化炭素（CO2）濃度は上昇し続けている。CO2排出量の削減に向けた取り組みが進められているものの、これは既に大気中に存在するガスの有害な影響を軽減するものではない。そこで研究者たちは、大気中のCO2をギ酸（HCOOH）やメタノールなどの有用な物質に変換する独創的な方法を考案してきた。可視光を触媒として用いる光触媒によるCO2の光還元は、こうした変換において広く用いられている方法の一つである。
2023年5月8日発行の国際版Angewandte Chemie誌に掲載された最新の画期的な研究成果において、東京工業大学の前田和彦教授とその研究チームは大きな進歩を遂げました。彼らは、二酸化炭素（CO2）の選択的光還元を促進するスズ（Sn）金属有機構造体（MOF）の開発に成功しました。新たに開発されたMOFはKGF-10と名付けられ、化学式は[SnII2(H3ttc)2.MeOH]n（H3ttc：トリチオシアヌル酸、MeOH：メタノール）です。KGF-10は可視光を用いてCO2をギ酸（HCOOH）に効率的に変換します。前田教授は、「これまで、希少金属や貴金属をベースとした高効率なCO2還元用光触媒が数多く開発されてきました。しかし、多数の金属からなる単一の分子ユニットに光吸収機能と触媒機能を統合することは依然として課題でした」と説明し、「Snはこれらの2つの課題を克服する理想的な候補であることが証明されました」と述べています。
金属と有機材料の利点を兼ね備えたMOFは、希土類金属をベースとした従来の光触媒に代わる、より環境に優しい代替材料として注目されています。光触媒プロセスにおいて触媒と光吸収体の両方の役割を担うことで知られるスズ（Sn）は、MOFベースの光触媒として有望な選択肢となる可能性があります。ジルコニウム、鉄、鉛からなるMOFは広く研究されていますが、スズをベースとしたMOFに関する理解はまだ限られています。光触媒分野におけるスズ系MOFの可能性と潜在的な応用を十分に探るためには、さらなる研究が必要です。
研究者らは、スズ系MOFであるKGF-10を合成するために、出発原料としてH3ttc（トリチオシアヌル酸）、MeOH（メタノール）、塩化スズを用いた。電子供与体および水素源として1,3-ジメチル-2-フェニル-2,3-ジヒドロ-1H-ベンゾ[d]イミダゾールを選択した。合成後、得られたKGF-10を様々な分析法にかけた。これらの試験により、この材料は2.5 eVのバンドギャップを持ち、可視波長域で効果的な吸収を示す、適度なCO2吸着能力を有することが明らかになった。
研究者たちは、この新素材の物理的および化学的特性に関する知識を基に、可視光による二酸化炭素の還元を触媒するためにこの素材を利用した。特筆すべきは、KGF-10が補助的な光増感剤や触媒を用いることなく、最大99%の選択性でCO2からギ酸（HCOO-）への変換を達成することを発見した点である。さらに、KGF-10は、光子の利用効率を示す指標である見かけの量子収率が400 nmで9.8%という、これまでにない高い値を示した。注目すべきは、光触媒反応中に実施された構造解析により、KGF-10が還元プロセスを促進するために構造変化を起こすことが明らかになった点である。
この画期的な研究は、可視光によるCO2からギ酸への一方向触媒として、貴金属を必要としない高性能スズ系光触媒KGF-10を提示しています。この研究で実証されたKGF-10の優れた特性は、太陽光によるCO2還元を含むさまざまな用途における光触媒としての利用に革命をもたらす可能性があります。前田教授は次のように結論付けています。「私たちの結果は、MOFが、地球上に存在する無毒で費用対効果が高く豊富な金属（多くの場合、分子金属錯体である）を使用して、優れた光触媒機能を開発するためのプラットフォームとして機能することを示しています。この発見は、光触媒の分野に新たな可能性、新たな地平を切り開き、地球資源の持続可能で効率的な利用への道を開きます。」
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