光機能分子を含む分子集合体の構築と機能発現

• 研究課題/領域番号: 11740352
• 研究種目: 奨励研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 有機化学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 今堀 博 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (90243261)
• 研究期間 (年度): 1999 – 2000
• 研究課題ステータス: 完了 (2000年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2000年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 1999年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: フラーレン / 電子移動 / ポルフィリン / 自己組織化単分子膜 / 光合成 / 有機太陽電池 / アンテナ系 / エネルギー移動 / 人工光合成 / 光誘起電子移動 / 光電変換素子

研究概要

光合成はアンテナ系とよばれる光収穫系で太陽光を効率よく集め,そのエネルギーを高速に電荷分離系に移動させ電荷分離を行っている。そこでアンテナ系分子と電荷分離系分子の共役を電極上で試みた。まずピレンをエネルギードナー,ポルフィリンをエネルギーアクセプターとした混合自己組織化単分子膜(SAM)を金電極上に作製し,ピレンからポルフィリンへの1重項・1重項エネルギー移動が起こっていることを確認した。次に500nm付近の光を効率よく吸収するボロン色素(B)のアルカンチオールを合成し,ポルフィリンアルカンチオールとの混合単分子膜を金電極上に作製した。その結果,混合膜中でボロン色素の励起1重項からポルフィリンへ高効率のエネルギー移動が起こっていることがわかった。そこでポルフィリンアルカンチオールを電荷分離分子に相当するフェロセン-ポルフィリン-C_<60>に置き換え,その混合膜の光電変換特性を評価した。ボロン色素のみの系(-0.2V vs Ag/AgCl,30mMメチルビオローゲン,酸素飽和条件下)(量子収率:1.6%(510nm))に比べて,混合系において約30倍の光電流発生効率の向上(量子収率:50%(510m);混合比B:Fc-P-C_<60>=63:37))が観測された.本システムは光合成のアンテナ系と電荷分離系を電極上で初めて人工的に共役させただけでなく,金属電極上の単分子膜を用いた系として量子収率の世界最高値を更新することにも成功した.この結果から今後より光収穫機能の高い分子系を開発できれば,光エネルギー変換効率の向上も期待できる。

研究成果

• [文献書誌] Hiroshi Imahori et al.: "Photoactive Three-Dimensinal Monolayers : Porphyrin Alkanethiolate-Stabilized Gold Clusters"J.Am.Chem.Soc.. 123・2. 335-336 (2001)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori et al.: "Light-Harvesting and Photocurrent Generation by Gold Electrodes Modified with Mixed Self-Assembled Monolayers of Boron Dipyrrin and Ferrocene-Porphyrin-Fullerene Triad"J.Am.Chem.Soc.. 123・1. 100-110 (2001)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori et al.: "Sequential Energy and Electron Transfer in an Artificial Reaction Center ; Formation of a Long-Lived Charge-Separated State"J.Am.Chem.Soc.. 122・28. 6535-6551 (2000)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori et al.: "Vectorial Multistep Electron Transfer at the Gold Electrodes Modified with Self-Assembled Monolayers of Ferrocene-Porphyrin-Fullerene Triads"J.Phys.Chem.B. 104・9. 2099-2108 (2000)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori et al.: "Large Acceleration Effect of Photoinduced Electron Transfer in Porphyrin-Quinone Dyads with a Rigid Spacer Involving a Dihalosubstituted Three-Membered Ring"J.Am.Chem.Soc.. 122・10. 2279-2288 (2000)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori et al.: "Chain Length Effect on the Structure and Photoelectrochemical Properties of Self-Assembled Monolayers of Porphyrins on Gold Electrodes"J.Phys.Chem.B. 104・6. 1253-1260 (2000)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori et al.: "Electron Transfer in Chemistry"Wiley-VCH (in press). (2000)
• [文献書誌] 今堀博: "植物の光合成に基づいた有機太陽電池"応用物理. 1192-1195 (2000)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori: "Photoinduced Electron Transfer at the Gold Electrode Modified with a Self-Assembled Monolayer of Fullerene"Chem. Commun.. 1999. 557-558 (1999)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori: "Synthesis and Photoelectrochemical Properties of a Self-Assembled Monolayer of a Ferrocene-Porphyrin-Fullerene Triad on a Gold Electrode"Chem. Commun.. 1999. 1165-1166 (1999)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori: "Fullerenes as Novel Acceptors in Photosynthetic Electron Transfer"Eur. J. Org. Chem.. 1999. 2445-2457 (1999)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori: "An Investigation of Photocurrent Generation by Gold Electrodes Modified with Self-Assembled Monolayers of C_<60>"J. Phys. Chem. B. 103. 7233-7237 (1999)
• [文献書誌] Hiroshi Imahori: "Chain Length Effect on the Structure and Photoelectrochemical Properties of Self-Assembled Monolayers of Porphyrins on Gold Electrodes"J. Phys. Chem. B. (in press).
• [文献書誌] Hiroshi Imahori: "Vectorial Multistep Electron Transfer at the Gold Electrodes Modified with Self-Assmbled Monolayers of Ferrocene-Porphyrin-Fullerene Triads"J. Phys. Chem. A. (in press).
• [文献書誌] 今堀 博: "李刊化学総説炭素第3の同素体フラーレンの化学 (第4章フラーレンの特異機能、2節フラーレンの光誘起電子移動とエネルギー移動)"学会出版センター. 4 (1999)
• [文献書誌] Shunichi Fukuzumi: "Electron Transfer Chemistry of Biomimetic Porphyrins and Metalloporphyrins, Electron Transfer in Chemistry, Volume 2"Wiley-VCH (in press).