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Development of water-splitting dye-sensitized photoelectrochemical cell with multilayered charge-separation membrane

Publicly Offered Research

Project AreaCreation 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 20H05082
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

小林 厚志  北海道大学, 理学研究院, 准教授 (50437753)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords人工光合成 / 光触媒 / 水分解 / 色素増感 / 自己組織化
Outline of Research at the Start

太陽光と水、二酸化炭素から有益な化学物質を創り出す「人工光合成」は、エネルギー問題解決に資する有望な反応だが、エネルギー変換効率の向上が必須である。
本研究では太陽光の吸収により生じる励起子を効率よく電子と正孔に分割して水の酸化還元触媒へ導く新しい手法として「階層型光増感色素多層膜」を半導体電極表面へ構築する。多数の色素と半導体電極の融合を推進し、実用化につながる太陽光水分解デバイス創出を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

【高活性光増感色素多層膜の開発】Ru色素多層膜の内部および表面構造を分子レベルで制御しつつ、Pt担持二酸化チタンまたは層状ニオブ酸ナノ粒子表面へ担持させることで、酸化還元可逆な電子伝達剤との反応性を向上させながら、高活性な水素生成光触媒の創出に成功した。470nmの青色光照射下における見かけの量子収率は1%を超え、色素増感光触媒として非常に高活性であることも確認でき、色素多層膜を用いた本手法が従来の単純な色素増感機構を刷新しうる有望性を持つことが明らかとなった。
【水素生成光カソードの開発】多孔質酸化ニッケル電極に対して、Ru色素複層膜を形成後に有機ポリマー触媒を蒸着することで、水素生成光カソードを創出した。このポリマー触媒と色素複層膜からなる新規光カソードは可視光照射下で水素を生成することが確認され、その効率向上には色素多層膜-ポリマー触媒間のエネルギー・電子移動過程の制御が重要であることがわかった。さらに、Ru色素がNiO電極表面から脱離することをポリマー触媒蒸着により効果的に抑制可能なこともわかり、本手法が水素生成光カソードの活性・耐久性向上に資する有望なものであることが実証できた。
【酸素生成光アノードの開発】多孔質二酸化チタン電極に対し、Ru色素と正孔輸送剤となるプルシアンホワイト類縁体やカルバゾール重合体を修飾し、酸素生成触媒となるプルシアンブルー類縁体やRu錯体触媒を結合させたヘテロ接合型光アノードを新たに創出した。これらの光電極は十分な正電位印加下で酸素生成活性を有することが明らかとなり、正孔輸送剤を導入した電極では光照射下における光電流がさらに増強される特性を有することがわかった。これらの結果は酸素生成光アノード構築において、色素-触媒界面に正孔輸送剤を導入することが、活性向上に有望であることを強く示唆するものと考えられる。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (27 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Interfacial Electron Flow Control by Double Nano-architectures for Efficient Ru-dye-sensitized Hydrogen Evolution from Water2021

    • Author(s)
      Yoshimura, N.; Kobayashi, A.; Kondo, T.; Abe, R.; Yoshida, M.; Kato, M.
    • Journal Title

      ACS Appl. Energy Mater.

      Volume: 4 Issue: 12 Pages: 14352-14362

    • DOI

      10.1021/acsaem.1c03028

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Carbazole modification of ruthenium bipyridine?dicarboxylate oxygen evolution molecular catalysts2021

    • Author(s)
      Otsuka Hiroki、Kobayashi Atsushi、Yoshida Masaki、Kato Masako
    • Journal Title

      Dalton Transactions

      Volume: 50 Issue: 44 Pages: 16233-16241

    • DOI

      10.1039/d1dt02824c

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Two Excited State Collaboration of Heteroleptic Ir(III)-Coumarin Complexes for H2 Evolution Dye-Sensitized Photocatalysts2021

    • Author(s)
      Kobayashi Atsushi、Muramatsu Eiichirou、Yoshida Masaki、Kato Masako
    • Journal Title

      Energies

      Volume: 14 Issue: 9 Pages: 2425-2425

    • DOI

      10.3390/en14092425

    • Related Report
      2021 Annual Research Report 2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Enhancement of Photocatalytic Activity for Hydrogen Production by Surface Modification of Pt‐TiO 2 Nanoparticles with a Double Layer of Photosensitizers2020

    • Author(s)
      Yoshimura Nobutaka、Kobayashi Atsushi、Yoshida Masaki、Kato Masako
    • Journal Title

      Chemistry A European Journal

      Volume: 26 Issue: 70 Pages: 16939-16946

    • DOI

      10.1002/chem.202003990

    • NAID

      120007165391

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photosensitizing ruthenium(ii)?dye multilayers: photoinduced charge separation and back electron transfer suppression2020

    • Author(s)
      Yoshimura Nobutaka、Kobayashi Atsushi、Genno Wataru、Okubo Takashi、Yoshida Masaki、Kato Masako
    • Journal Title

      Sustainable Energy & Fuels

      Volume: 4 Issue: 7 Pages: 3450-3457

    • DOI

      10.1039/d0se00151a

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 多層色素担持ニオブ酸光触媒とポリオキソメタレート電子伝達剤を組み合わせた光水素生成系の構築2022

    • Author(s)
      吉村 修隆, 吉田 将己, 冨田 修, 阿部 竜, 小林 厚志
    • Organizer
      日本化学会第102春季年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] An effect of carbazole modification to a ruthenium molecular catalyst on oxygen-evolution reaction2021

    • Author(s)
      H. Otsuka, A. Kobayashi, M. Yoshida, M. Kato
    • Organizer
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021(Virtual conference
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Interfacial Electron Flow Control by Double Nano-architectures for Efficient Ru-dye-sensitized Hydrogen Evolution2021

    • Author(s)
      A. Kobayashi
    • Organizer
      4th International Symposium on Photofunctional Chemistry of Complex Systems
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 水分解可視光触媒に資する色素アンサンブルの開発2021

    • Author(s)
      小林 厚志
    • Organizer
      複合系の光機能研究会第2回オンラインライジングスター研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 疎水性Ru錯体色素を担持した水素生成光触媒の開発とベシクル膜への担持2021

    • Author(s)
      東田 優祐, 吉田 将己, 加藤 昌子, 小林 厚志
    • Organizer
      第11回CSJ化学フェスタ2021
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] The Effect of Carbazole-Modification to Ru(II) Complex Catalyst on Oxygen Evolution Reaction2021

    • Author(s)
      H. Otsuka, M. Yoshida, M. Kato, A. Kobayashi
    • Organizer
      錯体化学会第71回討論会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 色素多層固定化ナノ粒子光触媒の光水素発生反応における表面金属イオン依存性2021

    • Author(s)
      吉村 修隆, 吉田 将己, 加藤 昌子, 小林 厚志
    • Organizer
      2021年光化学討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 疎水性Ru色素固定化光水素発生ナノ粒子触媒の脂質二分子膜への担持2021

    • Author(s)
      東田 優祐, 吉田 将己, 加藤 昌子, 小林 厚志
    • Organizer
      第32回配位化合物の光化学討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] カルバゾール導入型Ru(II)錯体による酸素発生反応系の開発2021

    • Author(s)
      大塚 滉喜, 小林 厚志, 吉田 将己, 加藤 昌子
    • Organizer
      錯体化学若手研究会「錯体化学若手の会夏の学校2021」
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 半導体光触媒と機能性分子の融合:人工光合成の実現を目指して2021

    • Author(s)
      小林 厚志
    • Organizer
      第42回光化学若手の会
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      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 脂質二分子膜担持を志向した疎水性Ru色素固定化光水素発生ナノ粒子触媒の開発2021

    • Author(s)
      東田 優祐, 吉田 将己, 加藤 昌子, 小林 厚志
    • Organizer
      第42回光化学若手の会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Photocatalytic hydrogen production by hybrid photocatalyst composed of layered niobate nanoparticles with multilayered Ru(II) dyes in the presence of redox mediators2021

    • Author(s)
      N. Yoshimura, A. Kobayashi, M. Yoshida, T. Kondo, R. Abe, M. Kato
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2021 Annual Research Report 2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Ir(III)-クマリン錯体担持Pt-TiO2ナノ粒子光触媒における配位子置換効果2021

    • Author(s)
      村松 英一郎, 小林 厚志, 吉田 将己, 加藤 昌子
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] カルバゾール導入型ルテニウム(II)錯体による酸素発生反応の機構研究2021

    • Author(s)
      大塚 滉喜, 小林 厚志, 吉田 将己, 加藤 昌子
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Ru色素固定化光水素発生ナノ粒子触媒の長鎖アルキル導入による分散性制御2021

    • Author(s)
      東田 優祐, 小林 厚志, 吉田 将己, 加藤 昌子
    • Organizer
      化学系学協会北海道支部2021年冬季研究発表会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Ir(III)-クマリン錯体担持Pt-TiO2ナノ粒子光触媒における配位子置換効果2021

    • Author(s)
      村松 英一郎・小林 厚志・吉田 将己・加藤 昌子
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Ru色素固定化光水素発生ナノ粒子触媒の長鎖アルキル導入による分散性制御2021

    • Author(s)
      東田 優祐・小林 厚志・吉田 将己・加藤 昌子
    • Organizer
      化学系学協会北海道支部2021年冬季研究発表会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Ru(II)錯体を多層固定させた層状ニオブ酸ハイブリッド光触媒による高効率可視光水素発生2020

    • Author(s)
      吉村 修隆・小林 厚志・吉田 将己・近藤 智紀・阿部 竜・加藤 昌子
    • Organizer
      複合系の光機能研究会オンラインライジングスター研究会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] カルバゾール部位修飾型ルテニウム(II)錯体触媒の合成と酸素発生反応2020

    • Author(s)
      大塚 滉喜・小林 厚志・吉田 将己・加藤 昌子
    • Organizer
      錯体化学会第70回討論会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] クマリン型配位子を有するIr(III)錯体を担持した水素発生ナノ粒子光触媒の構築2020

    • Author(s)
      村松 英一郎・小林 厚志・吉田 将己・加藤 昌子
    • Organizer
      錯体化学会第70回討論会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 有機ポリマー触媒BQ-Py担持Ru(II)色素多層型水素発生光カソードの構築2020

    • Author(s)
      嶋村 拓・小林 厚志・緒明 佑哉・吉田 将己・加藤 昌子
    • Organizer
      錯体化学会第70回討論会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 色素多層固定化ナノ粒子光触媒の表面構造制御による光水素発生触媒能増強2020

    • Author(s)
      吉村 修隆・小林 厚志・吉田 将己・加藤 昌子
    • Organizer
      2020年web光化学討論会
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      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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