2019 Fiscal Year Annual Research Report
Sensitizers Immobilized on Semiconducting Electrodes for Light Energy Conversion
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18H03898
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
今堀 博 京都大学, 工学研究科, 教授 (90243261)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 人工光合成 / 有機太陽電池 / ポルフィリン / 水酸化触媒 / 半導体電極 / 銅錯体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人工光合成は可視光を利用した物質変換を目指す研究であるが、現状では非常に低い性能にとどまっている。天然の光合成では、光捕集系で獲得されたエネル ギーを用いて、反応中心タンパク質で一連の電子移動反応を行い、一方水酸化触媒から電子を奪うことで高活性な酸化種を生み出し、水からの電子引き抜き、酸 素発生を可能にしている。本提案では上記の過程を人工的に模倣し、可視光物質変換機構を詳細に解明することで、人工光合成の高効率化を目指している。具体的には、可視光を捕集可能な酸化力の強い光増感分子を合成し、水酸化触媒分子と共に半導体電極上に固定化し、可視光応答型水分解セルを構築した。特に水酸化触媒分子において、触媒活性部位と半導体電極への固定化部位の間の距離を変化させることを試み、予備的ながらもその距離依存性を見出した。一方、上記の 分子を用いた人工光合成は色素増感太陽電池と共通する点が多く、色素増感太陽電池の高効率化から得られる情報は人工光合成においても有用と思われる。いずれの系においても、太陽光の効率的な利用は高性能化に必須である。そこで色素増感太陽電池において、可視光・近赤外光の効率的な捕集が原理的に可能なポルフィリンに着目した。具体的には、置換メチレン構造で縮環したプッシュ・プル型のポルフィリン色素を分子設計・合成し、現在知られている最も性能の高いポルフィリン色素GY50を上回る太陽電池性能を達成することができた。また、高い開放電圧が期待できる一連の新規な銅レドックス対を分子設計・合成し、光電変換特性との相関を解明することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
色素増感太陽電池においては、新規な分子設計で光増感色素を合成し、現在知られている最も性能の高い色素の一つであるGY50を上回る太陽電池性能を達成でき たことは大きな進展である。また、高効率化に向けて必須な新規な銅レドックス対を分子設計・合成し、光電変換特性との相関を解明することができている。一方、人工光合成に関しては、可視光水分解の機構解明に取り組むための評価系構築を進めている段階である。
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| Strategy for Future Research Activity |
色素増感太陽電池においては、今回得られた基礎的知見をフィードバックさせ、さらなる太陽電池性能向上を目指す。一方、人工光合成に関しては、触媒活性部位と半導体電極への固定化部位の間の距離を系統的に変化させ、可視光水分解活性との相関解明を試みる。また、p-型半導体に光増感色素を担持した系の開発を進める。
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| Remarks |
有機太陽電池に関する研究成果はプレスリリースされ、新聞、雑誌などの国内外のメディアで取り上げられた。
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[Journal Article] Efficient Light-Harvesting, Energy Migration, and Charge Transfer by Nanographene-Based Nonfullerene Acceptor Small-Molecule Exhibiting Unusually Long Excited-State Lifetime in Film State2020
Author(s)
T. Umeyama, K. Igarashi, D. Sasada, Y. Tamai, K. Ishida, T. Koganezawa, S. Ohtani, K. Tanaka, H. Ohkita, and H. Imahori
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Journal Title
Chem. Sci.
Volume: 11
Pages: 3250-3257
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Exclusive Occurrence of Photoinduced Energy Transfer and Switching Its Direction by Rectangular π-Extension of Nanographenes2019
Author(s)
T. Umeyama, T. Hanaoka, H. Yamada, Y. Namura, S. Mizuno, T. Ohara, J. Baek, J. Park, Y. Takano, K. Stranius, N. V. Tkachenko, and H. Imahori
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Journal Title
Chem. Sci.
Volume: 10
Pages: 6642-6650
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Photoconductivity in Metal-Organic Framework (MOF) Thin Films2019
Author(s)
X. Liu, M. Kozlowska, T. Okkali, D. Wagner, T. Higashino, G. Brenner-Weis, S. Marschner, Z. Fu, Q. Zhang, H. Imahori, S. Brase, W. Wenzel, C. Woll, and L. Heinke
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Journal Title
Angew. Chem. Int. Ed.
Volume: 58
Pages: 9590-9595
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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