东京科学大学理学院化学系的前田和彦教授、Chomponoot Suppaso研究员等人的研究团队确立了一种铅-硫键配位聚合物的新合成方法，利用该方法成功合成出了固体光催化剂，将二氧化碳在可见光条件下转化为甲酸的效率提升到了既往的约10倍。该研究成果已发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。
图1. [Pb(tadt)]n的合成方法（供图：东京科学大学）
如果能够活用可再生能源来源的光和电将CO₂转化为有用物质，将是实现碳循环社会的重要一步。
研究团队在以前的研究中发现，由可见光诱导的具有铅-硫键的配位聚合物，可以用作以光能将二氧化碳转化为甲酸的光催化剂。然而，可见光在配位聚合物中产生的电子和空穴的利用效率较低，表观量子产率也低于3%。
此次研究发现，通过运用微波的溶液合成法可以得到纤维状的配位聚合物。研究人员对合成温度和时间进行优化后发现，与既往方法合成的柱状配位聚合物相比，纤维状配位聚合物具有更高的比表面积，作为电子和空穴复合中心的表面缺陷也更少。正因如此，纤维状配位聚合物在维持99%以上的较高甲酸生成选择性的同时，能够以25%（照射波长400纳米）这一较高的表观量子产率将CO₂转化为甲酸。这是世界上利用可见光将CO₂转化为甲酸的光催化剂中的最高值。
此外研究还发现，当将相同的配位聚合物固定在导电基底上用于CO₂电解时，该物质可以在每平方厘米300毫安的高电流密度下将CO₂转化为甲酸。此时甲酸生成的法拉第效率超过90%，表明配位聚合物即使在这样的高速电解条件下也能保持较高的甲酸生成选择性。同时，既往的铅基电极催化剂存在在高电流条件下会因水的还原反应同时生成氢，导致CO₂还原选择性降低的问题，而使用配位聚合物的情况下几乎不会生成氢，这表明该物质可用作CO₂还原的电极催化剂。
未来，通过对材料的进一步探索和合成方法的优化，有望构建一种以更少能量施加来驱动的新型催化剂体系。同时，这种配位聚合物成功实现了CO₂电解生产甲酸技术实际应用所需要的、在每平方厘米300毫安电流密度下的甲酸选择性生成，因此它也为以电能还原CO₂提供了新的方向。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Advanced Functional Materials
论文：Fibrous Pb(II)-Based Coordination Polymer Operable as a Photocatalyst and Electrocatalyst for High-Rate, Selective CO₂-to-Formate Conversion
DOI：10.1002/adfm.202417223
