要想通过人工光合作用利用太阳能还原二氧化碳将其资源化，关键在于吸收光从电子源向催化剂传递电子的光敏化剂的性能。此前通常采用使单一分子来实现光敏化剂，但单一分子在兼具优秀的可见光吸收能力和耐久性等多性能方面存在局限性。
东京大学研究生院综合文化研究科的泷泽进也助教、村田滋名誉教授、寺尾润教授等人明确了开发人工光合作用所需兼具优秀的可见光吸收能力和高耐久性的光敏化剂的新开发方针。利用易于控制物质性质的铱（Ir）络合物作为光敏化剂，将正负两种Ir络合物配对，使其功能互补，从而成功地提高了性能。该方法不仅限于Ir络合物，还有望应用于地球上丰富存在的其他金属络合物和不含金属的有机化合物，可为人工光合作用技术的开发做出贡献。相关研究结果已发表在《Journal of the American Chemical Society》上。
图1合成的离子对构造和能量的转移（供图： 东京大学）
研究团队此次考虑利用易于控制物质性质的Ir络合物作为光敏化剂，利用库仑力使正负两种Ir络合物靠近，互补彼此功能。首先，选出具有不同特征的正电荷的阳离子Ir络合物和具有负电荷的阴离子Ir络合物在甲醇中混合，就可以轻松形成相应的离子对。阳离子Ir络合物尽管其可见光吸收能力较差，但作为CO2还原反应的光敏化剂可以相对稳定地起作用，而阴离子Ir络合物作为光敏化剂单独使用时的耐久性较差，但是通过在骨架中加入香豆素6有机色素，它的可见光吸收能力就变得格外优秀。
研究人员将核磁共振光谱测量方法应用到此次合成的离子对上，发现两种 Ir 络合物实际上在三氯甲烷中相互靠近，并明确了其排列方式。此外，通过利用这些络合物吸收光时的发光性质，还发现了能量从吸收光后处于高能量状态的阴离子 Ir络合物有效地转移到了阳离子Ir络合物。也就是说，阴离子络合物作为可见光收集天线帮助阳离子络合物获得可见光，而阳离子络合物帮助阴离子络合物提高耐久性。
研究人员将离子对实际用作CO2还原反应的光敏化剂。具体做法是将离子对与铼催化分子一起导入到囊泡（vesicle）的脂质双分子膜表面，将抗坏血酸离子作为电子源添加后，在反应容器内充满CO2的状态下照射可见光。在通常的CO2光还原反应通常使用的溶剂中，离子对被溶剂分子包围而分开，无法发挥出所期待的效果，所以此次使用了脂质双分子膜。通过利用脂质双分子膜还可以在水中进行CO2光还原反应。
验证实验的结果发现，作为CO2还原产物产生的一氧化碳比分别单独引入阳离子Ir络合物或阴离子Ir络合物作为光敏化剂的反应更多。
此外，通过分光学方法追踪反应溶液的情况，发现与单独使用阴离子Ir络合物的反应相比，阴离子部分的分解得到了显著抑制。这表明离子对效应实际反映在光敏化剂高性能化上的重要成果。
使用本次研究的方法，无需花费费用和时间合成两个分子通过共价键连接的复杂化合物，只要拥有市售或容易合成的合适分子，只需将它们混合就可以合成离子对。如果是带有正电荷或负电荷的分子，则可以综合地研究多种组合，探索更优异的光敏化剂。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Journal of the American Chemical Society
论文：Ion Pairing of Cationic and Anionic Ir（III） Photosensitizers for Photocatalytic CO2 Reduction at Lipid-Membrane Surfaces
DOI：10.1021/jacs.3c03625
