2021 Fiscal Year Research-status Report
人工光合成を志向した光駆動電子輸送ハイドロゲルの開発
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20K15296
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
榎本 孝文 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特別研究員 (80865577)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 人工光合成 / 光水素発生 / ビオロゲン / 電子伝達 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，ハイドロゲルマトリクス中に色素と電子メディエーターを適切に配置することで人工的な電子輸送系を構築し，連続的な光電子移動を駆動力とする長距離電子輸送の達成を目指している．また，この光電子輸送ゲルを水の酸化触媒および水の還元触媒と組み合わせることで，酸化/還元反応をそれぞれ独立した空間で駆動し，水素と酸素が分離された状態で生成される水の光完全分解系の実現を最終目標として設定している．これまでに，電子メディエーターとしてビオロゲン骨格を有するハイドロゲルを新たに合成し，これが電子貯蔵能を示すことが明らかになった．
令和３年度の研究では，ゲル内部におけるビオロゲンの配置をより精密にコントロールするために，高分子に対してビオロゲン骨格を後修飾で導入する方法について検討を行った．ハイドロゲルにおける修飾率を直接解析することは困難であるため，まずは直鎖高分子を用いた検討を進めた．後修飾の方法としてはアミノ基とカルボキシル基の縮合反応を選択し，１級アミノ基を有する高分子に対してカルボキシル基を有するビオロゲン誘導体を縮合させることで目的の高分子の合成を試みた．具体的には，汎用モノマーであるN-イソプロピルアクリルアミドと１級アミノ基を有するモノマーである3-(N-アミノプロピル)メタクリルアミドの共重合体を合成し，この高分子に対するビオロゲン誘導体の縮合条件の検討を行った．検討の結果，縮合剤として塩酸1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド，溶媒としてメタノールとN,N-ジメチルスルホキシドの混合溶媒を用いた場合に効率的に縮合反応が進行することが明らかになった．また，得られた高分子の水溶液に対して化学還元剤を添加するとビオロゲン誘導体の還元体が生成することから，得られた高分子が電子貯蔵能を有していることが示された．
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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
令和３年度の研究によって，高分子に対して後修飾法によってビオロゲン骨格を導入するための手法を確立することに成功した．当初の予想に反し，カルボキシル基を有するビオロゲン誘導体の反応性が低く，縮合反応の最適化に時間を要したが，最終的には高分子に対してビオロゲン骨格を導入するための反応条件を決定することが出来た．また，後修飾法でビオロゲン骨格を導入した高分子であっても，ビオロゲン骨格に由来した電子受容能が維持されていることが示唆された．以上の結果は，後修飾法によってゲル内部におけるメディエータの配置を精密に制御するために極めて重要な示唆を与えるものである．
これらを総合的に判断し，本研究課題はおおむね順調に進行していると判断した.
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| Strategy for Future Research Activity |
令和４年度の研究では，令和３年度に検討を進めたビオロゲン骨格の後修飾法を利用することで，ハイドロゲルに対して後修飾でビオロゲン骨格を導入することを試みる．このときに，ハイドロゲル内部における拡散現象を利用することでビオロゲンの担持量に勾配を発生させることで，電子伝達の方向性の制御を行う．また，このハイドロゲルに対して色素分子を担持することで，光のエネルギーを利用して能動的に電子伝達を行うことが可能な光電子伝達ハイドロゲルを作成する．更に，この光電子伝達ハイドロゲルに対して，局所的に還元反応触媒や酸化反応触媒を担持することで，本研究課題の大目的である「空間的に分離された状態で酸化還元反応産物を生成することが可能な光機能性ハイドロゲルシート」の開発を行う．
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| Causes of Carryover |
本年度の研究では，当初の予想に反してカルボキシル基を有するビオロゲン誘導体の反応性が低く，縮合反応の最適化に時間を要したため，当初予定していたハイドロゲルの評価用セルの購入を見送った．繰り越した予算に関しては，予定されていた評価用セルの購入に充てる．
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[Presentation] アクリルアミド系ハイドロゲルにおいて含水率が接着力に及ぼす影響2021
Author(s)
秋元文, 中野雄斗, 榎本孝文, 西本泰平, Gao Ying, 太田裕治, 田中信行, 田中陽, Li Xiang, 柴山充弘, 吉田亮
Organizer
第33回高分子ゲル研究討論会
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[Presentation] ハイドロゲル表面の機能制御2021
Author(s)
秋元文, 高穎, 松川滉, 西本泰平, 中野雄斗, 内村黎央, 榎本孝文, Li Xiang, 太田裕治, 田中信行, 吉田亮
Organizer
ロボティクス・メカトロニクス講演会2021
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