1. 概要

京都大学大学院工学研究科及化学研究所的Samrat Ghosh博士（日本学术振兴会特别研究员）、中田明伸助教（现中央大学助教）、铃木肇助教、铃木克明助教、川口贵大研究生（硕士2年级）、阿部龙教授、梶弘典教授、关修平教授等组成的小组与德国德累斯顿工业大学的Maximilian A.Springer博士、Igor Baburin博士、Agnieszaka Kuc博士、以及Thomas Heine教授等展开合作，共同发现具有二维片状骨架的有机聚合物是可表现出光催化作用的有用材料，该材料可有效捕获光能，产生正负电荷，并引起水分子分解，最后生成氢气。

特别是，发现通过逐渐改变构成片状骨架的各分子之间的化学键角，可以优化通过折叠多个片状结构形成的晶体结构，从而阐明了对水分解起最重要作用的结构。本研究表明，共轭聚合物材料（也就是塑料）是利用光能进行水分解的高效能量转换材料。

本研究成果已于2020年5月27日发表于国际学术杂志《Journal of the American Chemical Society》。（在线发表：4月30日）

在二维聚合物上生成的电子受到可见光照射后移动到铂粒子上，从而生成氢气的图像。

2. 背景

为早日实现可再生能源社会，各国都在对将来自太阳的可见光能高效转化为电能、化学能的技术进行积极研究。太阳能电池、光催化剂等例子不胜枚举，例如，随处可见的硅太阳电池可将太阳能直接转换为电能，而植物的光合作用可将太阳能转换为化学能。纳米二氧化钛的光催化剂效应，即“本多—藤岛效应”从广义上来说是光能量转换方面的一大发现。但是，在“水分解制氢”的简单试验中，尚未发现决定性材料。水分解在化学上是一种剧烈的氧化还原反应，因此此前一般不会考虑将具有“燃烧”和“腐烂”特性的有机物用作支持该反应的基础材料。

3. 研究方法与成果

近年来，以日本和美国的研究人员为首，报告了众多被称为共价有机骨架（Covalent Organic Frameworks：COFs）的材料组，这些材料极大地改变了聚合物和塑料的传统概念。特别是，具有二维骨架的聚合物组通过有序地重叠，在热学和化学方面都具有极其稳定的结构，而且其骨架的化学结构显示出各种电子和光学特性，因此该些聚合物组作为新型有机固体材料备受关注。COFs具有广泛分布在分子平面上的电子，可吸收各种波长的光，同时其骨架和重叠结构之间导电良好，因此有望用于已投入实际使用的有机场效应晶体管（OFET）和有机发光半导体（OLED）的材料。

本研究中新设计和合成的共价有机骨架

（Covalent Organic Frameworks：COFs）

为了有效利用光能并将其高效转化为化学能，材料所需的最重要特性之一是具有尽可能大的化学反应界面。COFs是多孔材料，可以通过有序重叠其类似于网的结构，使网格部分连接起来，从而在固体中创建许多自由空间。这种结构非常适合作为利用光能的水分解反应的空间，而本研究小组一直在进行研究以优化其作为光催化剂的功能。

从COFs吸收光到最终生成氢气，有多种反应过程。针对各项反应过程，本研究主要详细讨论了下列因素：吸收光能的效率是多少？吸收的能量是否可以有效地传递到反应点？反应点的空间是多少？为了连接空间，如何有序地进行重叠？能量如何有效地分成正电荷和负电荷？电荷的移动速度是多少？对这些因素进行详细讨论后发现，与提高最终的制氢效率相关的大多数因素仅仅取决于构成骨架的单个单元的角度（分子连接的角度）。

在明确了以上因素之后发现，最终制造出来的COFs几乎可以有效吸收所有波长范围内的可见光，并且在具有有机骨架的现有多孔材料中，COFs的光分解水反应效率和制氢效率是最高的。

4. 效果与未来计划

光能的有效转换对我们来说是非常重要的科学问题之一。本次最重要的研究成果是不仅发现了一种具有高转化效率的光催化系统，而且通过采取分子工程方法（例如观察改变分子结构会引起哪些变化），获得了创造未来材料的“设计图”。作为用于制造未来可再生能源的重要材料，我们希望进一步开发本研究报告中提到的“多孔但不溶于任何物质，且化学性质极其稳定的塑料”。

5. 研究项目

科学研究费补助金・外国人特别研究员研究奖励费

（no. 26102011, 15K21721, 17H06439, 17H01231, 19F19044和18H03918）和德国Deutsche Forschungsgemeinschaft for financial support（SPP 1928, HE 3543/31–1）

＜研究人员的评论＞

提到具有二维平面结构和扩展共轭电子系统的材料，大家首先会想到石墨和石墨烯。仅考虑沿平面的电子海的话，石墨与硅等其他各种电子材料相比，其电子填充方式可以认为是非常“密集”的。与电子有关的大多数特性都取决于这种填充方式的密度。对于有机材料和碳基材料，人们经常只关注其出色的轻量性和柔软性，但是，我们认为将其用作电子材料是寻找具有与电子相关良好性能的材料的必然结果。有机材料即使像本研究那样使用多孔结构（无论取出多少石墨烯），仍然具有很高的电子性能，这是其潜力巨大的直接体现。

＜论文信息＞

题目：“Identification of Premie Factors to Maximize the Photocatallytic Hydrogen Evolution of Covalent Organic Frameworks”

作者：Samrat Ghosh，Akinobu Nakada，Maximilian A.Springer，Takahiro Kawagucchi1，Katsaki Suzuki，Hironori Kaji，Igor Baburin，Agnieszaka Kuc，Thomas Heine，Hajime Suzuki，RyuAbe and Shu Seki

刊登杂志：the Journal of American Chemical Society DOI：10.1021/jacs.0c02633

用于水中制氢的优异光催化剂结构的阐明：扩展为平面状的有机聚合物