2019 Fiscal Year Annual Research Report
Photo-thermal Energy Conversion Based on Photo-Electrochromic Molecules
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18H03919
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
河合 壯 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (40221197)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
東田 卓 大阪府立大学工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (00208745)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | フォトクロミズム / 光反応分子 / 連鎖反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光により異性化する分子フォトクロミック分子の光反応を利用し、光エネルギーを熱として貯蔵し、必要な時に放熱する光熱エネルギー変換・貯蔵機能分子の学 理を探求し、その実現可能性を明らかにする。光エネルギーは可視光で約２eV、紫外光では3eVに達し、これはおおよそ400kJ/molの熱エネルギーに相当する。単結合の形成エネルギーはおよそ100ｋJ/mol程度といわれており、紫外線の光子エネルギーの25-30%程度に相当する。これは通常の太陽電池の変換効率が20%程度であることを考えると、低炭素化とエネルギーの安定確保の両立に向けた視点から検討に値する。ここでは光照射により炭素―炭素単結合が形成、乖離する異性化の効率が高い、ターアリーレン系分子における熱貯蔵性について検討してきた。異性化前後での内部エネルギー変化が、単結合の形成、反応に関与する複素芳香環の芳香族安定化エネルギーさらに反応によって形成されるsp3型炭素原子周囲の立体障害によって変化することを見出した。種々の芳香族ユニットを有するターアリーレン誘導体とそのフェニル置換体に関して光異性化前後の内部エネルギーを班密度関数（DFT）法に基づく量子化学計算をおこなった。ターアリーレン系フォトクロミック分子では、類似化合物のジアリールエテンに対して大きな内部エネルギー変化が明らかになった。さらに、60％以上の比較的高い反応量子収率を示す分子においては20%以上の高い効率で紫外光エネルギーを内部エネルギーとして貯蔵できることが明らかになった。また酸化剤による連鎖開環反応により効率よく熱放出を開始できることが明らかになった。
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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
本研究では、新しい光熱エネルギー変換分子の開発を目指し、その学理を探求することとその可能性の実証を目指している。本研究で目指す感度波長帯域３５０nm－４００nm、光反応量子収率Φph７０％以上、着色体半減期τ1/2が1週間以上、電気化学トリガーを用いて連鎖的な開環反応が誘起され、その消費エネルギーが下記の保持エンタルピーの１／２０以下などに対して、例えば反応量子収率は60%以上で、τ1/2が1週間、なおかつ連鎖的な開環反などの条件を満たす分子が明らかになっている。また反応量子収率についても50％前後から60％前後まで増強する分子設計指針を明らかにしており、目標達成に向けて着実に成果が蓄積されている。一方、分子内に保持されるエンタルピー変化は２０kcal/molとしており、これはすでに、置換基効果などから2019年度においてクリアしている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度の検討結果を基盤に、さらに反応量子収率の増強や内部エンタルピー変化の増強により高い光熱貯蔵効率を達成する。また、高い光閉環反応量子収率を示すフォトクロミック分子は比較的光開環反応量子収率が低い傾向が見出されており、しかも連鎖開環反応により電気化学反応や電子移動反応においてのみ開環反応が進行する分子を見出している。2020年度には超高速分光などの研究に拡大し反応機構の詳細解明を行う。また高性能分子開発に向け熱を取り出す開環反応の高効率化が重要で、その低消費エネルギー化と高効率が必要となる。本研究では酸化反応に伴う連鎖開環反応を検討することとしており、その高効率化が重要な課題となる。すなわち高速、高効率の連鎖開環反応のための分子設計を進めることが当面の課題となる。また酸化連鎖反応における溶媒の影響を定量的に評価することが性能の飛躍的な向上のためには重要と考えている。
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