プラズモニック光捕集アンテナ界面による反応増強

• Project Area: Chemical conversion of solar energy by artificial photosynthesis: a breakthrough by fusion of related fields toward realization of practical processes
• Project/Area Number: 15H00863
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 西 弘泰 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (70714137)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 局在プラズモン共鳴 / プラズモン誘起電荷分離 / プラズモン増強 / 光触媒 / 金属ナノ粒子

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、金属ナノ粒子の局在プラズモン共鳴を利用することで、局在振動電場を生じるプラズモニックアンテナ界面を作り、それらを人工光合成系に適用することを目的としている。プラズモニックアンテナ界面は、金属ナノ粒子を光アンテナとみなし、粒子近傍に存在する色素や半導体の励起効率を向上させる系と、金属ナノ粒子と酸化チタンなどの半導体界面で起こるプラズモン誘起電荷分離（PICS）を利用する系の２つに大きく分類できる。
前者については、新しい光アンテナとして、金-銀合金ナノ粒子のPICSに伴う銀の溶出（脱合金化）を利用して、近赤外域にプラズモン共鳴を示すポーラスナノ粒子を作製することに成功した。金-銀合金の脱合金化およびそれに伴うポーラス化は、これまで化学的あるいは電気化学的手法で行われてきたが、本研究では光電気化学的な脱合金化にはじめて成功した。さらに、粒子がポーラス化した段階で自動的に銀の溶出が停止することが明らかとなり、従来法では難しかった、粒径25ナノメートル以下のポーラスナノ粒子の作製が可能となった。このようなプラズモニックポーラスナノ粒子は、近赤外領域の光アンテナとして利用できるだけではなく、半導体光触媒の助触媒などとしての応用も期待できる。
後者については、平成27年度に引き続き、PICSにおける酸化電位の支配因子について検討を行った。PICSに伴って金ナノ粒子の表面が水酸化することが明らかとなり、その照射波長および電解液のpH依存性から、酸化チタンのフラットバンド電位から金ナノ粒子が吸収した光子のエネルギー分だけ正側の電位が酸化電位に相当することがわかった。PICSを人工光合成系における水分解反応などに適用する上で、酸化電位に関する情報は極めて重要であり、本研究によってPICSに基づく光触媒の設計指針が得られたといえる。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Photoregulated Nanopore Formation via Plasmon-Induced Dealloying of Au-Ag Alloy Nanoparticles (2017)
  • Author(s): H. Nishi and T. Tatsuma
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 121 Issue: 4 Pages: 2473-2480
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b12131
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Oxidation Ability of Plasmon-Induced Charge Separation Evaluated on the Basis of Surface Hydroxylation of Gold Nanoparticles (2016)
  • Author(s): H. Nishi and T. Tatsuma
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 55 Issue: 36 Pages: 10771-10775
  • DOI: 10.1002/anie.201605914
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Controlling Shape Anisotropy of ZnS-AgInS2 Solid Solution Nanoparticles for Improving Photocatalytic Activity (2016)
  • Author(s): Tsukasa Torimoto, Yutaro Kamiya, Tatsuya Kameyama, Hiroyasu Nishi, Taro Uematsu, Susumu Kuwabata, and Tamaki Shibayama
  • Journal Title: ACS Appl. Mater. Interfaces Volume: 8 Issue: 40 Pages: 27151-27161
  • DOI: 10.1021/acsami.6b10408
  • NAID: 120006220236
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Branched Au Nanoparticles as Light Harvesting Antennae for Photosensitized Reactions (2016)
  • Author(s): T. Kawawaki, A. Asakura, and T. Tatsuma
  • Journal Title: ChemNanoMat Volume: 2 Issue: 1 Pages: 74-78
  • DOI: 10.1002/cnma.201500140
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 金属ナノ粒子のプラズモン共鳴に伴う諸過程の観測 (2016)
  • Author(s): 立間 徹
  • Journal Title: 応用電子物性分科会誌 Volume: 22 Pages: 25-28
• [Journal Article] Efficiency Enhancement of PbS Quantum Dot/ZnO Nanowire Bulk-Heterojunction Solar Cells by Plasmonic Silver Nanocubes (2015)
  • Author(s): T. Kawawaki, H. Wang, T. Kubo, K. Saito, J. Nakazaki, H. Segawa, and T. Tatsuma
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 印刷中 Issue: 4 Pages: 4165-4172
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b00321
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Plasmon-Induced Charge Separation at Two-Dimensional Gold Semishell Arrays on SiO2@TiO2 Colloidal Crystals (2015)
  • Author(s): L. Wu, H. Nishi, and T. Tatsuma
  • Journal Title: APL Mater. Volume: 3 Issue: 10 Pages: 104406-104406
  • DOI: 10.1063/1.4922935
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] プラズモン共鳴ナノ粒子を利用した光機能材料とデバイス (2015)
  • Author(s): 立間 徹
  • Journal Title: 日本MRSニュース Volume: 27 Pages: 4-5
• [Journal Article] 金属ナノ粒子で捕捉した光による電気化学過程 (2015)
  • Author(s): 立間 徹
  • Journal Title: 分光研究 Volume: 64 Pages: 522-531
• [Journal Article] プラズモン誘起電荷分離とその応用 (2015)
  • Author(s): 立間 徹
  • Journal Title: Optronics Volume: 408 Pages: 86-90
• [Presentation] 化学合成した金ナノロッドによるプラズモン誘起電荷分離 (2017)
  • Author(s): 西 弘泰,立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第84回大会
  • Place of Presentation: 東京、首都大学東京南大沢キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-25
• [Presentation] Visible-Light-Driven Hydrogen Evolution through Plasmon-Induced Charge Separation Assisted by Cocatalysts (2017)
  • Author(s): Kun-Che Kao, 黒岩 善徳, 西 弘泰, 立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第84回大会
  • Place of Presentation: 東京、首都大学東京南大沢キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-25
• [Presentation] Photoregulated Porosification of Au-Ag Alloy Nanoparticles Based on Photoelectrochemical Dealloying (2017)
  • Author(s): NISHI, Hiroyasu; TATSUMA, Tetsu
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 横浜、慶應義塾大学日吉キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Plasmonic Photovoltaic Cells Based on Two-Dimensional Metal Halfshell Arrays (2017)
  • Author(s): Ling Wu, Gyu Min Kim, Hiroyasu Nishi and Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜、パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] Plasmonic nanoantenna interfaces for enhancement of photoelectrochemical reactions (2017)
  • Author(s): Hiroyasu Nishi, Tokuhisa Kawawaki, Ling Wu, Koichiro Saito, Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 2017 International Conference on Artificial Photosynthesis (ICARP 2017)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2017-03-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasmon-Induced Photoelectrochemical and Photovoltaic Properties of Two-Dimensional Metal Halfshell Array (2016)
  • Author(s): Ling Wu, Gyu Min Kim, Hiroyasu Nishi, Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 9th Asian Photochemistry Conference (APC2016)
  • Place of Presentation: Singapore, Singapore
  • Year and Date: 2016-12-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasmon-Induced Charge Separation: Mechanisms and Applications (2016)
  • Author(s): Tetsu Tatsuma and Hiroyasu Nishi
  • Organizer: Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-State Science 2016 (PRiME 2016)
  • Place of Presentation: Honolulu, U.S.A
  • Year and Date: 2016-10-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Active Sites of Plasmon-Induced Charge Separation (2016)
  • Author(s): Hiroyasu Nishi, Koichiro Saito and Tetsu Tatsuma
  • Organizer: Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-State Science 2016 (PRiME 2016)
  • Place of Presentation: Honolulu, U.S.A
  • Year and Date: 2016-10-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasmon-induced charge separation on gold nanoparticles arrays dominated by interface mode (2016)
  • Author(s): K. Kao, H. Nishi and T. Tatsuma
  • Organizer: 2016年度光化学討論会
  • Place of Presentation: 東京、東京大学駒場第一キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] プラズモン誘起電荷分離に基づく種々の酸化還元反応とその応用 (2016)
  • Author(s): 西 弘泰、坂本 真澄、立間 徹
  • Organizer: 2016年度光化学討論会
  • Place of Presentation: 東京、東京大学駒場第一キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] Photoelectrochemical and photovoltaic properties of plasmonic two-dimensional halfshell arrays (2016)
  • Author(s): L. Wu, G. Kim, H. Nishi and T. Tatsuma
  • Organizer: 2016年度光化学討論会
  • Place of Presentation: 東京、東京大学駒場第一キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] A facile method to produce semi-transparent perovskite films by one-step spincoating and vacuum drying (2016)
  • Author(s): G. Kim and T. Tatsuma
  • Organizer: 2016年度光化学討論会
  • Place of Presentation: 東京、東京大学駒場第一キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] Photocatalysis Based on Plasmonic Enhancement and Plasmon-Induced Charge Separation (2016)
  • Author(s): Hiroyasu Nishi, Tokuhisa Kawawaki, Ling Wu, Koichiro Saito, Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 2nd UK-Japan Solar Driven Fuel Synthesis Workshop: Materials, Understanding and Reactor Design
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2016-06-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Plasmon-Induced Charge Separation and Plasmonic Enhancement Effects for Photocatalytic Reactions (2016)
  • Author(s): Tetsu Tatsuma
  • Organizer: The 26th IUPAC Symposium on Photochemistry
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2016-04-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrasmooth perovskite thin film with low scattering and high transparency prepared by short spinning with vacuum annealing (SSVA) (2016)
  • Author(s): Gyu Min Kim and Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 電気化学会第83回大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪）
  • Year and Date: 2016-03-31
• [Presentation] Photoelectrochemisty of plasmonic two-dimensional halfshell arrays and their applications (2016)
  • Author(s): Ling Wu, Natsumi Tsunenari, Gyu Min Kim, Hiroyasu Nishi, Kosuke Sugawa, Joe Otsuki, and Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 電気化学会第83回大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪）
  • Year and Date: 2016-03-30
• [Presentation] 銀ナノキューブのプラズモン誘起電荷分離による位置選択的な形状変化および光学特性の制御 (2016)
  • Author(s): 齋藤 滉一郎・田邉 一郎・立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第96春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京都）
  • Year and Date: 2016-03-25
• [Presentation] プラズモン誘起電荷分離を利用した金-銀合金ナノ粒子の光誘起脱合金化 (2016)
  • Author(s): 西 弘泰・立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第96春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京都）
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] Plasmonic Nanomaterials (2016)
  • Author(s): Tetsu Tatsuma
  • Organizer: PITTCON 2016
  • Place of Presentation: Atlanta, USA
  • Year and Date: 2016-03-08
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Applications of Plasmon-Induced Charge Separation (2015)
  • Author(s): Tetsu Tatsuma, Hiroyasu Nishi, Koichiro Saito, and Kazutaka Akiyoshi
  • Organizer: The 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2015)
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2015-12-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of Oxidation Ability for Plasmon-Induced Charge Separation: Approach from Coordinative Dissolution and Surface Passivation of Gold Nanoparticles (2015)
  • Author(s): Hiroyasu Nishi and Tetsu Tatsuma
  • Organizer: The 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2015)
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2015-12-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasmon-induced charge separation at two-dimensional metal semishell arrays on SiO2@TiO2 colloidal crystals (2015)
  • Author(s): Ling Wu, Gyu Min Kim, Hiroyasu Nishi, and Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 第5回CSJ化学フェスタ2015
  • Place of Presentation: タワーホール船堀（東京）
  • Year and Date: 2015-10-13
• [Presentation] 酸化チタンに担持した銀ナノキューブの形状と光学特性の光電気化学制御 (2015)
  • Author(s): 斎藤 滉一郎,田邉 一郎,立間 徹
  • Organizer: 2015年電気化学秋季大会
  • Place of Presentation: 埼玉工業大学（埼玉）
  • Year and Date: 2015-09-11
• [Presentation] Photoelectrochemistry of Metal Nanoparticles (2015)
  • Author(s): Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 2015年度光化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪）
  • Year and Date: 2015-09-10
  • Invited
• [Presentation] プラズモン誘起電荷分離における酸化電位の定量的評価とその制御 (2015)
  • Author(s): 西 弘泰・立間 徹
  • Organizer: 2015年度光化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪）
  • Year and Date: 2015-09-10
• [Presentation] Oxidation Ability of Plasmon-Induced Charge Separation Evaluated on the Basis of Coordinative Dissolution and Surface Oxidation of Gold Nanoparticles (2015)
  • Author(s): Hiroyasu Nishi and Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 27th International Conference on Photochemistry (ICP 2015)
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2015-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photocurrent Enhancement of Quantum Dot Solar Cells By Plasmonic Metal Nanoparticles (2015)
  • Author(s): Tetsu Tatsuma and Tokuhisa Kawawaki
  • Organizer: 227th ECS Meeting
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2015-05-26
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 立間研究室ホームページ
  • URL: http://www.iis.u-tokyo.ac.jp/~tatsuma/