太陽光を有効利用できる色素増感型光触媒を開発~長波長の可視光を利用した水素製造技術の実現に期待~

2025-12-23 東京科学大学

東京科学大学 理学院化学系の山本悠可大学院生と前田和彦教授らは、長波長の可視光(600~800nm)を利用可能な新しい色素増感型光触媒を開発した。従来主流だったルテニウム錯体に代えてオスミウム錯体を用いることで、重原子効果による一重項–三重項励起を活用し、これまで吸収できなかった長波長光の利用を実現した。その結果、可視光全域に応答する光触媒系を構築し、水素生成反応における太陽光エネルギー変換効率を従来の約2倍(0.21%)に向上させた。本成果は、人工光合成や持続可能な水素製造技術の高度化につながる重要な知見であり、今後は錯体設計の最適化によるさらなる高効率化と実用化が期待されている。研究成果は学術誌ACS Catalysisに掲載された。

太陽光を有効利用できる色素増感型光触媒を開発~長波長の可視光を利用した水素製造技術の実現に期待~
図2. (上)ルテニウム錯体とオスミウム錯体の分子構造と、(下)一重項−一重項遷移と一重項−三重項遷移

<関連情報>

一重項-三重項励起に基づく長波長可視光吸収を有する金属錯体増感剤を用いた色素増感光触媒における電荷移動ダイナミクス Charge Transfer Dynamics in Dye-Sensitized Photocatalysts Using Metal Complex Sensitizers with Long-Wavelength Visible Light Absorption Based on Singlet–Triplet Excitation

Haruka Yamamoto,Toshiya Tanaka,Masahito Oura,Kelly M. Kopera,Megumi Okazaki,Ken Onda,Thomas E. Mallouk,and Kazuhiko Maeda
ACS Catalysis  Published: December 5, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acscatal.5c06687

Abstract

An Os(II) polypyridyl complex was applied as a photosensitizer in dye-sensitized photocatalyst systems based on Pt-intercalated HCa2Nb3O10 and Pt-loaded TiO2. The Os(II) complex exhibits a spin-forbidden but partially allowed triplet metal-to-ligand charge transfer (3MLCT) transition, enabling broad visible light absorption up to 800 nm, which surpasses that of conventional Ru(II)-based dyes. Despite its shorter excited-state lifetime compared to Ru(II) complexes, efficient electron injection from the excited Os(II) dye into the semiconductor was confirmed. Under visible-light irradiation, the Os(II)-sensitized photocatalysts showed higher H2 evolution activity than the Ru(II)-sensitized photocatalysts when sodium ascorbate was used as an electron donor, demonstrating effective utilization of long-wavelength visible light. In contrast, negligible H2 evolution was observed when NaI was employed as a redox mediator for Z-scheme water splitting. Transient absorption spectroscopy revealed that the lack of activity stemmed from inefficient electron transfer from I– to oxidized Os(II). These findings highlight the importance of selecting appropriate redox mediators to fully exploit long-wavelength dyes for overall water splitting under visible light.

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