ニュース速報 – 経済を活性化させるための炭素系燃料の需要増加により、大気中の二酸化炭素（CO2）量は増加し続けています。CO2排出量削減の取り組みは進んでいますが、大気中に存在するこのガスの有害な影響を軽減することはできません。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ました。可視光を触媒とする光触媒を用いたCO2の光還元は、このような変換方法として広く普及しています。
2023年5月8日発行のAngewandte Chemie国際版で発表された最新のブレークスルーにおいて、東京工業大学の前田和彦教授と彼の研究チームは大きな進歩を遂げました。彼らは、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。最近発表されたMOFはKGF-10と命名され、その化学式は[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は可視光を使用して、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にしたCO2還元用の高効率光触媒が数多く開発されてきました。しかし、光吸収機能と触媒機能を多数の金属からなる単一の分子ユニットに統合することは依然として課題です」と説明しています。したがって、Sn はこれら 2 つの障害を克服するための理想的な候補であることが証明されました。」
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研究が進められています。光触媒プロセスにおいて触媒と光吸収剤としての二重の役割を持つSnは、MOFベースの光触媒の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、SnベースのMOFに関する理解は依然として限られています。光触媒分野におけるSnベースMOFの可能性と潜在的用途を完全に探求するには、さらなる研究が必要です。
研究者らは、スズ系MOF KGF-10を合成するために、H3ttc（トリチオシアヌル酸）、MeOH（メタノール）、塩化スズを出発原料として用いた。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は様々な分析法にかけられた。これらの試験により、この材料は2.5eVのバンドギャップと可視波長域での有効吸収を有し、中程度のCO2吸着能を有することが示された。
新素材の物理的・化学的特性に関する知識を基に、科学者たちは可視光による二酸化炭素還元反応の触媒としてKGF-10を使用しました。特筆すべき点は、KGF-10が光増感剤や触媒を補助的に使用することなく、最大99%の選択性で二酸化炭素をギ酸（HCOO-）に変換することを発見したことです。さらに、KGF-10は、光子利用効率の指標である見かけの量子収率において、400 nmで9.8%という前例のない高い値を示しました。さらに、光触媒反応中に行わ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示されました。
この画期的な研究では、可視光によるCO2のギ酸への還元反応において、貴金属を必要とせず、一方向触媒として使用できる高性能スズ系光触媒KGF-10が提示されました。本研究で実証されたKGF-10の優れた特性は、太陽光によるCO2還元を含む様々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、「私たちの研究結果は、MOFが、地球上に無毒で費用対効果が高く、豊富に存在する金属（多くの場合、分子金属錯体）を用いることで、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。これは、これまで達成不可能なことでした。」と結論付けています。この発見は、光触媒分野における新たな可能性を切り開き、地球資源の持続可能かつ効率的な利用への道を開くものです。
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