東工大ら,光触媒中の電子と分子の観察に成功

大阪大学と東京工業大学の研究グループは,人工光合成に用いられる光触媒分子(Re錯体)が還元剤TEOA溶液中において,光照射後しばらくしてRe錯体へ隣のTEOA分子が近づき,電子を渡す様子を,時間分解THz全反射分光法を用いて,ピコ秒の時間スケールで観測することに初めて成功した(ニュースリリース)。

人工光合成(光触媒反応)は,太陽電池と並び,次世代のクリーンエネルギー源として期待され,特に,レニウム(Re)錯体を用いた光触媒反応は,効率がとても高いことが知られている。

より高効率な光触媒分子を作るためには,ピコ秒と極めて短い時間の中で光触媒反応が開始される現象がどのように起こっているかを調べる必要があるが,これまで触媒反応で重要な分子間の相対運動や電荷移動を直接観測することは不可能だった。

今回の研究では,Re錯体において光触媒反応がどのように起こっているかを時間分解THz全反射分光法を用いて観測を行なった。光触媒分子は光を吸収することでCO2をCOへと還元しエネルギーを取り出すことができる。

研究グループは,この過程のうち還元剤とRe錯体への電荷移動過程に着目し,この過程がどのように起こっているかを調べた。研究グループが用いたTHz光は分子間振動という隣り合う2つの「分子」の結合力の変化を見ることができるため,Re錯体の周りのTEOA分子が光照射後にどのように動き,どのように電子をやり取りするかを観測することができる。

しかしTHz光は液体に吸収されやすいという性質を持っているため,TEOA溶液中のRe錯体を観測しようとすると溶液の吸収に邪魔されてうまく観測できない。そこで新たに,全反射分光とTHz分光を組み合わせることで溶液のTHz分光を可能にした。

研究グループはさらにTHz全反射分光法に,超高速の時間分解測定を行なうため,波長400nmのパルス光を試料に当てた後,ポンプ・プローブ分光法を組み合わせた時間分解THz全反射分光で,ピコ秒の時間スケールで紫外線照射後の光触媒反応の観測に成功したという。

研究グループはこの成果は,光触媒反応の詳細な理解とより効率の高い光触媒分子の探索に重要な役割を果たすことが期待できるとしている。

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