日本东京科学大学（Science Tokyo）开发出一种新型染料敏化光催化剂，可有效捕获长波长可见光用于高效制氢，其性能超越了传统光催化体系。

研究人员通过将传统配合物中的金属中心替换为锇，成功制备出一种能够吸收波长超过600nm光的光催化剂。这一吸收特性的改变，使该体系能够利用更宽范围的太阳光谱，产生更多激发电子，从而显著提升析氢性能。

太阳能制氢是一种极具前景的策略，可在不产生碳排放的情况下实现清洁、可再生燃料的生产。太阳能到氢能的转化过程通常依赖光催化剂，这类材料通过吸收阳光并利用光能将水分解为氢气和氧气。

然而，在大多数传统体系中，光催化剂只能吸收部分可见光谱，这意味着太阳能中的大量能量未被充分利用。为提升制氢效率，亟需开发能够捕获更宽光谱范围的新型光催化剂。

针对这一挑战，日本东京科学大学教授前田和彦（Kazuhiko Maeda）及其研究生山本遥（Haruka Yamamoto）领导的研究团队，开发了一种新型染料敏化光催化剂，能够吸收波长最长可达约800nm的长波长可见光。

相关研究成果发表在《ACS Catalysis》期刊上，结果显示，该体系的太阳能制氢转化效率可达到传统体系的两倍。

染料敏化光催化剂是一类通过将催化剂与可吸收可见光的染料分子相结合而形成的材料，其中染料分子相当于一个“微型天线”，负责捕获太阳光并将能量传递至催化剂表面。

前田教授解释道：“染料敏化光催化剂通常使用钌配合物作为光敏染料，但钌基配合物一般只能吸收波长不超过600nm的较短可见光。”

基于这一限制，研究团队将配合物中的金属核心由钌替换为锇。这一改变显著拓宽了太阳光的吸收范围，使光催化剂能够利用更多太阳能，产生额外的激发电子，并直接促进析氢反应性能的提升。这种性能提升源于锇的“重原子效应”，该效应可促进单线态—三线态跃迁，这是一种低能量电子跃迁机制，使材料能够吸收长波长可见光。

前田表示：“在拓展光吸收范围的研究中，锇被证明是关键元素，它能够利用钌配合物无法吸收的波长区间，从而实现氢气产率提升一倍的效果。”

效率的提升表明，该光催化剂即使在弱光或散射光条件下，也能将更多入射光子转化为化学能。这一特性对人工光合作用和太阳能转化材料等在真实环境下运行的技术尤为重要。

尽管研究人员仍在进一步优化金属配合物结构，但该研究已为下一代光催化剂奠定了重要基础，为未来相关技术的发展及可持续能源的广泛应用铺平了道路。

来源:日本东京科学大学 全球氢能网、新能源网综合