2022 Fiscal Year Research-status Report
パンクロマティック有機色素の創製を基盤とするエネルギー変換デバイスの開発
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22K05260
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| Research Institution | Nagahama Institute of Bio-Science and Technology |
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Principal Investigator |
佐々木 真一 長浜バイオ大学, バイオサイエンス学部, 教授 (50317294)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 色素 / クロロフィル / 人工光合成 / 太陽電池 / ペロブスカイト / 光触媒 / 水素発生 / 自己会合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機薄膜太陽電池の効率向上にむけて、クロロフィル-aから誘導される自己会合性の亜鉛クロリンとフラーレン（C60）を組み合わせたデバイスを作製し、動作原理の解明を行った。この電池は従来型のドナー・アクセプター系とは異なり、光合成Z-スキームと同様のエネルギー配列で作動することを明らかにした。クロリン層へエチレンジアミンを添加することにより、効率を280%増大できることを示した。
紅色光合成細菌の産生するバクテリオクロロフィル-aを素材として、ペロブスカイト太陽電池へ応用できる機能性色素の合成を行った。17位エステル末端に疎水性/親水性の異なる５種の側鎖を導入した自己会合性バクテリオクロリンを合成し、ホール輸送層としての特性を調べたところ、脂溶性のドデシル基を導入した色素J型会合体薄膜を用いた電池が最も高い光電変換効率を示した。
クロロフィルとバクテリオクロロフィルの自己会合性誘導体を溶液乾固法でTi3C2Txナノシート上にコーティングした有機無機ハイブリッド型光触媒を作製し、光照射下において水分解により水素発生を行う際の触媒効率を検討した。光吸収域の異なる２種の色素を順次積層させることにより、近赤外に至るまでの幅広い波長領域の光を活用することができ、各色素それぞれを単独で用いた場合よりもはるかに水素発生効率が向上することを示した。
クロロフィルポリマー膜を利用したスーパーキャパシタの構築を目的として、電気化学的重合法に適したモノマーユニットの構造探索を行った。クロリン環の３位置換基（ビニル、エテニル）ならびに中心金属（Mg, Co, Ni, Cu, Zn, Ga）をかえたモノマーを合成し、ITOガラス基板上に重合させて蓄電性能を評価したところ、NiとCuクロリンが他の金属錯体よりも良好な特性を示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
天然の光合成色素である（バクテリオ）クロロフィル類を素材として、エネルギー変換デバイスに活用できる機能性色素の創製を目的としている。
初年度は、１）天然の光合成系Z-スキームを模倣した有機薄膜太陽電池の作製にあたって、亜鉛クロリン自己会合膜とフラーレン（C60）を組み合わせたデバイスを作製し動作原理の解明を行う、２）近年主流となりつつあるペロブスカイト太陽電池のホール輸送膜として、フリーベース体の自己会合型バクテリオクロリンを活用し、側鎖の性質が電池特性に及ぼす効果を検証する、３）導電性無機材料MXeneにJ型自己会合体を形成できる（バクテリオ）クロリンを組み合わせた有機無機ハイブリッド型光触媒を作製し、光照射下で水分解による水素発生を行う際の触媒効率を向上させる、４）クロロフィルポリマー膜を蓄電素子とするバッテリーの構築にあたって、電気化学的重合法に適したクロリンモノマーのスクリーニングを行い、「クロロフィルで発電しクロロフィルで充電する」環境調和型デバイスのプロトタイプを開発する、という４つの課題に取り組んだところすべてのテーマについて一定の成果が得られ、学術論文に成果を発表することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年に引き続き、水分解による水素発生を目的とした有機無機ハイブリッド型光触媒の開発を中心に、近紫外から近赤外までの太陽光捕集アンテナ機能を増強させたパンクロマティック色素を創製する。
無機触媒はMXeneとPt/TiO2をベースに利用し、それぞれの無機材料に適した有機色素の分子設計と合成を行う。MXeneに対して（バクテリオ）クロリン会合体とのハイブリッドが触媒機能の向上に有効であることを既に報告しており、同様に秩序だった会合体形成能を有するスクアリウム色素を中心に、比較的合成の容易な人工色素を用いてMXeneナノシートと相性の良い色素構造のキーポイントを解明する。
一方Pt/TiO2に対しては、酸化チタン表面への固定化サイトにカルボン酸を有するクロリンを基本骨格として、クロリンと相補的な光吸収領域を持つ補助色素を共有結合で連結させた一連の色素複合体を合成する。補助色素のスクリーニングとあわせて色素間距離の異なる複合体も設計し、分子内エネルギー移動効率の算出や量子化学計算を用いた解析にも取り組む。
光照射による水素発生が水溶液系で行われることに着目し、クロリンを固定したPt/TiO2表面にカロテノイド等の脂溶性色素を疎水性相互作用でコーティングさせた新しいタイプの有機色素修飾法にも挑戦する。
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