非一様光場による高効率二酸化炭素還元システムの開発

• Project Area: Creation of novel light energy conversion system through elucidation of the molecular mechanism of photosynthesis and its artificial design in terms of time and space
• Project/Area Number: 18H05157
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 八井 崇 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80505248)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2018: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 近接場光 / 二酸化炭素還元 / 光学禁制遷移

Outline of Annual Research Achievements

提案者は、近接場光の空間的に非一様な光の場（非一様光場）の特長を活かすことで、従前の光応答では不可能であった新奇かつ有用な光励起が可能であることを実証してきた。従前の光化学反応において、光は空間的に一様な光の場として捉えられおり、この光化学反応に対して、非一様光場を反応過程に用いることが出来れば、従来とは本質的に異なる新奇光機能化学反応の創生が期待できる。本研究では、この非一様光場による光励起技術を用いることで二酸化炭素還元効率の大幅な向上実現を目的とする。非一様光場が誘起されることにより、光学禁制である分子の中間準位である分子振動準位の励起が可能となるため、分子の吸収端エネルギーよりも低エネルギーの光子によって光励起が可能となる。
本構想を実現するために、昨年度までに近接場発生光源として、アルミナ粒子表面に金ナノ構造（直径1nm）を固定し、さらにこの構造に二酸化炭素還元材料としてレニウム錯体の固定を行い、これによる二酸化炭素還元効率の向上を確認した。
今年度は、吸着させる金ナノ微粒子の粒径および濃度を制御することで、粒径による変化を確認した。いずれの粒径においても、レニウム錯体中のMLCTに起因する吸収ピークの増大を確認した。この結果をもとに、MLCTに起因する吸収ピークに相当する波長405nmの光を用いて、二酸化炭素還元実験を行った。その結果、粒径が大きくなるにつれて、一酸化炭素の生成効率が向上すること、つまり二酸化炭素還元効率の向上を確認することに成功した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Magnetometer with nitrogen-vacancy center in a bulk diamond for detecting magnetic nanoparticles in biomedical applications (2020)
  • Author(s): Kuwahata Akihiro、Kitaizumi Takahiro、Saichi Kota、Sato Takumi、Igarashi Ryuji、Ohshima Takeshi、Masuyama Yuta、Iwasaki Takayuki、Hatano Mutsuko、Jelezko Fedor、Kusakabe Moriaki、Yatsui Takashi、Sekino Masaki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 2483-2483
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59064-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Visible light-induced thymine dimerisation based on large localised field gradient by non-uniform optical near-field (2019)
  • Author(s): Tate Naoya、Yatsui Takashi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 18383-18383
  • DOI: 10.1038/s41598-019-54661-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Recent improvement of silicon absorption in opto-electric devices (2019)
  • Author(s): Yatsui Takashi、School of Engineering, University of Tokyo, Tokyo 113-8656, Japan.
  • Journal Title: Opto-Electronic Advances Volume: 2 Issue: 10 Pages: 19002301-19002301
  • DOI: 10.29026/oea.2019.190023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced photo-sensitivity in a Si photodetector using a near-field assisted excitation (2019)
  • Author(s): Yatsui T.、Okada S.、Takemori T.、Sato T.、Saichi K.、Ogamoto T.、Chiashi S.、Maruyama S.、Noda M.、Yabana K.、Iida K.、Nobusada K.
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 2 Issue: 1 Pages: 62-62
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0173-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Realization of red shift of absorption spectra using optical near-field effect (2019)
  • Author(s): Yatsui Takashi、Nakahira Yusuke、Nakamura Yuki、Morimoto Tatsuki、Kato Yuma、Yamamoto Muneaki、Yoshida Tomoko、Iida Kenji、Nobusada Katsuyuki
  • Journal Title: Nanotechnology Volume: 30 Issue: 34 Pages: 34LT02-34LT02
  • DOI: 10.1088/1361-6528/ab2092
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Wave-Vector Excitation in an Indirect-Band-Gap Semiconductor of Silicon with an Optical Near-field (2019)
  • Author(s): Noda Masashi、Iida Kenji、Yamaguchi Maiku、Yatsui Takashi、Nobusada Katsuyuki
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 11 Issue: 4 Pages: 044053-044053
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.11.044053
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Improving the electron spin properties of nitrogen-vacancy centres in nanodiamonds by near-field etching (2018)
  • Author(s): Brandenburg F.、Nagumo R.、Saichi K.、Tahara K.、Iwasaki T.、Hatano M.、Jelezko F.、Igarashi R.、Yatsui T.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 15847-15847
  • DOI: 10.1038/s41598-018-34158-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 近接場光援用高効率CO2還元のためのナノ構造寸法依存性に 関する検討 (2020)
  • Author(s): 鈴木 耀介、中村 勇生、森本 樹、加藤 由真、山本 宗昭、吉田 朋子、清水 暢之、片岡 祐紀、根岸 雄一、飯田 健二、信定 克幸、八井 崇
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Recent development of the photochemical reactions and the opto-electric (2019)
  • Author(s): T. Yatsui
  • Organizer: The International Symposium on Plasmonics and Nano-photonics (iSPN2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Applications of novel optical near-field reactions based on a special non-uniformity (2019)
  • Author(s): T. Yatsui
  • Organizer: The 12th Asia‐Pacific Conference on Near‐field Optics (APNFO12)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enhancement of CO2 Reduction using a near-field excitation (2019)
  • Author(s): T. Yatsui, Y. Suzuki, T. Morimoto, Y. Kato, M. Yamamoto, T. Yoshida, N. Shimizu, Y. Kataoka, Y. Negishi,H. Ishida, and K. Iida
  • Organizer: The 3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3) and International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CO2還元高効率化のための近接場光源依存性に関する検討 (2019)
  • Author(s): 鈴木 耀介、八井 崇、中村 勇生、森本 樹、加藤 由真、山本 宗昭、吉田 朋子、清水 暢之、片岡 祐紀、根岸 雄一、飯田 健二、信定 克幸
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2019
• [Presentation] 近接場光援用光学禁制遷移励起による二酸化炭素還元の高効率化 (2019)
  • Author(s): 中村 勇生、森本 樹、加藤 由真、吉田 朋子、清水 暢之、藏重 亘、根岸 雄一、飯田 健二、八井 崇
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ナノ構造最適化による近接場光援用高効率二酸化炭素還元の開発 (2019)
  • Author(s): 八井崇、中村勇生、森本樹、吉田朋子、清水暢之、藏重亘、根岸雄一、飯田健二、信定克幸
  • Organizer: 新学術領域研究「光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光－物質変換系の創製」 第2回公開シンポジウム
• [Presentation] 高効率二酸化炭素還元のための表面粗さ制御による近接場光効果の最適化 (2018)
  • Author(s): 中村 勇生、森本 樹、吉田 朋子、藏重 亘、根岸 雄一、飯田 健二、八井 崇
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Improving the efficiency of CO2 reduction using metal complex by optical near-field (2018)
  • Author(s): Y. Nakamura, Y. Nakahira, K. Iida, T. Morimoto, T. Yoshida, W. Kurashige, Y. Negishi, and T. Yatsui
  • Organizer: JSPS Core-to-Core Japan Workshop 2018
• [Presentation] Novel chemical reactions using a non-uniform optical field (2018)
  • Author(s): T. Yatsui
  • Organizer: JSPS Core-to-Core Japan Workshop 2018
  • Invited
• [Remarks] Yatsui Research Group
  • URL: https://lux.ee.tut.ac.jp/
• [Remarks] Yatsui Research Group
  • URL: http://www.lux.t.u-tokyo.ac.jp/