金属ナノ粒子およびクラスターの配位プロセスを利用した光電気化学機能の創出

• Project Area: Coordination Programming - Science of Molecular Superstructures for Chemical Devices
• Project/Area Number: 24108708
• 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: 立間 徹 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90242247)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2013: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2012: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 光電気化学 / プラズモン共鳴 / 金属ナノ粒子 / 金属クラスター / 配位結合

Research Abstract

銀ナノ粒子を酸化チタンに接触させると、プラズモン共鳴によってプラズモン誘起電荷分離が起こり、銀ナノ粒子が酸化・溶解する。これにより、スペクトルディップが形成され、多色フォトクロミズムや赤外フォトクロミズムが可能となるが、室内光下に放置すると、全ての粒子が酸化され、脱色する。昨年度は、銀を金に置き換え、配位子の作用を利用して金ナノ粒子での多色フォトクロミズムを可能にした。本年度は別のアプローチとして、銀ナノ粒子を疎水性配位子で保護し、ディップに基づくセンサを安定化した。さらに保護層にビオチンを固定化して、ストレプトアビジンの検出を可能にした。
また、昨年度行った単一銀ナノ粒子による多色変化を、配位子としてチオシアン酸イオンを用いることで、単一金ナノ粒子でも可能にした。
金属クラスターについては、我々はこれまで、グルタチオンを配位子とする金クラスターを酸化チタンに担持することで、金クラスターが光増感色素と同様に働き、光電変換や光触媒などに使えることを示してきた。本年度は、グルタチオンを配位子とする銀クラスターを用いた場合にも同様の効果が得られることを明らかにした。銀クラスターのHOMOにある電子がLUMOへと励起され、酸化チタンの伝導帯に注入されることに基づく。適当な電子ドナーを加えておくことで電子がドナーからHOMOへと供給され、電荷分離が完結する。
加えて、酸化チタン上の銀クラスターを光によりエッチングする方法も開発した。酸化チタン上の銀クラスターに光照射する際に、溶液中に電子ドナーを存在させなければ、クラスターに電子が供給されないため、クラスターに残った正電荷により、銀が銀イオンへと酸化される。その結果、銀クラスターのサイズは小さくなる。クラスターのHOMO-LUMOギャップは一般に、クラスターサイズが小さくなるほど大きくなり、結果、光吸収端は短波長側へとシフトする。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Localized Surface Plasmon Resonance Sensor Based on Wavelength-Tunable Spectral Dips (2014)
  • Author(s): E. Kazuma and T. Tatsuma
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 6 Issue: 4 Pages: 2397-2405
  • DOI: 10.1039/c3nr05846h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Angled Etching of (001) Rutile Nb-TiO2 Substrate by SF6 Based Capacitive Coupled Plasma (2014)
  • Author(s): A. Matsutani, K. Nishioka, M. Sato, D. Shoji, D. Kobayashi, T. Isobe, A. Nakajima, T. Tatsuma, and S. Matsushita
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: in press
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoinduced Multiple Spectral Changes of Single Plasmonic Au Nanospheres by the Aid of Coordination (2014)
  • Author(s): I. Tanabe and T. Tatsuma
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: in press Issue: 6 Pages: 931-933
  • DOI: 10.1246/cl.140153
  • NAID: 130004868200
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] One-step synthesis of glutathione-protected metal (Au, Ag, Cu, Pd, and Pt) cluster powders (2013)
  • Author(s): 坂井伸行
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 23 Issue: 19 Pages: 5915-5922
  • DOI: 10.1039/c3ta00644a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of Polyvinyl Chloride Thin Films with Size-Controlled Nanopores (2013)
  • Author(s): I. Tanabe， H. Yasuda， and T. Tatsuma
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 42 Issue: 9 Pages: 966-968
  • DOI: 10.1246/cl.130371
  • NAID: 10031194308
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasmon-Induced Oxidation of Gold Nanoparticles on TiO2 in the Presence of Ligands (2013)
  • Author(s): Y. Konishi， I. Tanabe， and T. Tatsuma
  • Journal Title: Dalton Trans. Volume: 42 Issue: 45 Pages: 15937-15940
  • DOI: 10.1039/c3dt51495a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photovoltaic Properties of TiO2 Loaded with Glutathione-Protected Silver Clusters (2013)
  • Author(s): N. Sakai， S. Nakamura， and T. Tatsuma
  • Journal Title: Dalton Trans. Volume: 42 Issue: 45 Pages: 16162-16165
  • DOI: 10.1039/c3dt51648b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] プラズモン誘起電荷分離（PICS）の機構について (2013)
  • Author(s): 立間 徹
  • Journal Title: 日本写真学会誌 Volume: 76 Pages: 463-468
  • NAID: 130004796405
• [Journal Article] Stable Spectral Dip Formation and Multicolour Changes of Plasmonic Gold Nanooarticles on T102 (2013)
  • Author(s): Y. Konishi, I. Tanabe and T. Tatsuma
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 49 Issue: 6 Pages: 606-608
  • DOI: 10.1039/c2cc37854j
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasmonic Photoelectrochemistry: Functional Materials Based on Photoinduced Reversible Redox Reactions of Metal Nanoparticles (2013)
  • Author(s): 立間 徹
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 86 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1246/bcsj.20120256
  • NAID: 130004153128
  • ISSN: 0009-2673, 1348-0634
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasmonic Manipulation of Color and Morphology of Single Silver Nanospheres (2012)
  • Author(s): 田邉一郎
  • Journal Title: Nano Lett. Volume: 12 Issue: 10 Pages: 5418-5421
  • DOI: 10.1021/nl302919n
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ナノサイズの金属粒子で光と色を操る (2012)
  • Author(s): 立間 徹
  • Journal Title: SEISAN KENKYU Volume: 64 Issue: 5 Pages: 789-796
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.64.789
  • NAID: 130003368396
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
• [Presentation] 単一金属ナノ粒子のプラズモン誘起電荷分離による多色変化 (2013)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第80回大会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2013-03-29
• [Presentation] 測定波長を光電気化学的に制御可能なプラズモンセンサの開発 (2013)
  • Author(s): 数間恵弥子
  • Organizer: 電気化学会第80回大会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2013-03-29
• [Presentation] プラズモン共鳴を利用した単一銀ナノ粒子の色と形態の制御 (2013)
  • Author(s): 田邉一郎
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 滋賀
  • Year and Date: 2013-03-22
• [Presentation] プラズモン共鳴と光電気化学 (2013)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: 第1回物質と光作用シンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2013-03-20
• [Presentation] Plasmonic Metal Nanostructures for Photoelectrochemical Applications (2013)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: 4th International Workshop on Nanostructures Nanoelectronics
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2013-03-07
  • Invited
• [Presentation] Nanomaterials for Novel Photoelectrochemical Functionalities (2013)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: The 5th AUN/SEED-Net Regional Conference on Chemical Engineering (RCCHE 2013)
  • Place of Presentation: Pattaya, Thailand
  • Year and Date: 2013-02-07
  • Invited
• [Presentation] 金属ナノ粒子の多色変化に基づくプラズモン誘起電荷分離機構の検討 (2013)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: 第10回プラズモニクスシンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2013-01-25
• [Presentation] Plasmon-Induced Charge Separation of Metal Nanoparticles (2012)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: 1st International Workshop on Metallic Nano-Objects: From Fundamentals to Applications (MNO 2012)
  • Place of Presentation: Saint-Etienne, France
  • Year and Date: 2012-11-15
  • Invited
• [Presentation] Plasmonic Manipulation of Color and Morphology of Single Silver Nanospheres on TiO2 (2012)
  • Author(s): 田邉一郎
  • Organizer: 7th Asian Photochemistry Conference 2012 (APC2012)
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2012-11-12
• [Presentation] 錯形成を利用した金ナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴に基づくスペクトル制御 (2012)
  • Author(s): 小西洋平
  • Organizer: 第2回CSJ化学フェスタ
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-10-15
• [Presentation] 局在表面プラズモン共鳴に基づく単一銀ナノ粒子のマルチカラー変化 (2012)
  • Author(s): 田邉一郎
  • Organizer: 第2回CSJ化学フェスタ
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-10-15
• [Presentation] Nanoimaging and analysis of localized surface plasmon-induced charge separation and application to versatile photochromism (2012)
  • Author(s): 数間恵弥子
  • Organizer: Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-State Science (PRiME 2012)
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2012-10-07
• [Presentation] Photoinduced Spectral and Morphological Changes of Single Plasmonic Silver Nanoparticles on TiO2: Towards Single Particle Photochromism (2012)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-State Science (PRiME 2012)
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2012-10-07
• [Presentation] Photoelectrochemical Dip Formation in Spectrum of Plasmonic Au Nanoparticles on TiO2 (2012)
  • Author(s): 小西洋平
  • Organizer: The 6th International Conference on Gold Science Technology and its Applications (Gold 2012)
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-09-05
• [Presentation] 金属ナノ粒子・クラスターの光電気化学とさまざまな機能 (2012)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: 第24回配位化合物の光化学討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-08-06
  • Invited
• [Presentation] Plasmon-Induced Charge Separation: Mechanisms and Applications (2012)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: International Conference on the Nanostructure-Enhanced Photo-Energy Conversion
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-06-03
  • Invited
• [Presentation] Morphological and Spectral Behavior of a Single Silver Nanosphere on TiO2 (2012)
  • Author(s): 田邉一郎
  • Organizer: International Conference on the Nanostructure-Enhanced Photo-Energy Conversion
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-06-03
• [Presentation] Recent Developments Related to Plasmon-Induced Charge Separation
  • Author(s): Tetsu Tatsuma， Nobuyuki Sakai， Emiko Kazuma， and Ichiro Tanabe
  • Organizer: 223rd ECS Meeting
  • Place of Presentation: Toronto， Canada
  • Invited
• [Presentation] Multicolor Changes of Single Plasmonic Silver Nanospheres on TiO2
  • Author(s): Ichiro Tanabe and Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 7th International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy (ICAVS7)
  • Place of Presentation: Kobe， Japan
• [Presentation] Angled Dry Etching Process of Nb-TiO2 Substrate by SF6 Plasma
  • Author(s): Akihiro Matsutani， Kunio Nishioka， Dai Shoji， Mina Sato， Daito Kobayshi， Toshihiro Isobe， Akira Nakajima， Tetsu Tatsuma， and Sachiko Matsushita
  • Organizer: 2013 International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2013)
  • Place of Presentation: Sapporo， Japan
• [Presentation] Coordination-Assisted Photomanipulation of Color and Morphology of Metal Nanoparticles
  • Author(s): Tetsu Tatsuma， Nobuyuki Sakai， Ichiro Tanabe， Atsushi Kogo， and Yohei Konishi
  • Organizer: International Symposium on Coordination Programming 2014 (ISCP2014)
  • Place of Presentation: Tokyo， Japan
  • Invited
• [Presentation] 貴金属クラスターの光電気化学
  • Author(s): 立間 徹， 坂井伸行， 古郷敦史
  • Organizer: 第25回配位化合物の光化学討論会
  • Place of Presentation: 唐津
• [Presentation] プラズモン共鳴を利用した酸化チタン上の単一銀ナノ粒子のマルチカラー変化
  • Author(s): 田邉一郎， 立間 徹
  • Organizer: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] SF6プラズマによるNb-TiO2 結晶基板のドライエッチング
  • Author(s): 松谷晃宏， 西岡國生， 庄司 大， 佐藤美那， 小林大斗， 磯部敏宏， 中島 章， 立間 徹， 松下祥子
  • Organizer: 2013年 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] 光電気化学エッチングによる銀クラスターのサイズ制御
  • Author(s): 古郷敦史， 坂井伸行， 立間 徹
  • Organizer: 2013年電気化学会秋季大会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 金属クラスター増感酸化チタンの光機能とそのクラスターサイズ依存性
  • Author(s): 古郷敦史， 坂井伸行， 立間 徹
  • Organizer: 第20回記念シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 傾斜ドライエッチングを用いた酸化チタンフォトニック結晶の作製と評価
  • Author(s): 小林大斗， 松谷晃宏， 西岡國生， 庄司 大， 佐藤美那， 磯部敏宏， 中島 章， 立間 徹， 松下祥子
  • Organizer: 2014年 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 金クラスター固体膜の構造的・電気的 特性評価
  • Author(s): 中村英司， 古郷敦史， 坂井伸行， 立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Book] プラズモンナノ材料開発の最前線と応用 第13章4節 "プラズモン誘起電荷分離による光電変換とその応用" (2013)
  • Author(s): 立間 徹
  • Total Pages: 6
  • Publisher: シーエムシー
• [Remarks] 立間研究室ホームページ
  • URL: http://www.iis.u-tokyo.ac.jp/~tatsuma/