有機材料による多励起子生成反応の新展開：新規材料と逐次反応の実験的探索

• 研究課題/領域番号: 18H01957
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分32020:機能物性化学関連
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 羽會部 卓 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70418698)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2020年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2019年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2018年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: 多励起子生成反応 / 一重項分裂 / 多励起子生成 / 逐次反応 / 多環芳香族炭化水素 / 有機材料

研究成果の概要

近接二分子間での一光子の吸収過程から二つの三重項励起子を生成する一重項分裂(SF)は光エネルギー変換における高効率化が期待されているが、均一溶液中での高効率SFの報告の多くはペンタセンに限定される。しかしながら、ペンタセンの三重項状態の励起エネルギーはE(T1) = 0.8 eVと低く、太陽光発電や光触媒への適用を考えると実用的ではない。そこで本研究ではペンタセンより遙かに高いE(T1) = 1.3 eVを有するテトラセンに着目し、高効率SFによる三重項励起子の高効率生成だけでなく、電子移動や一重項酸素発生などの逐次反応系への展開にも成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来の光化学反応では吸収光子数に対するエネルギー変換過程の最大量子収率は100％である。一方、近接二分子間での一光子の吸収過程から二つの三重項励起子を生成する一重項分裂を用いることで量子収率は最大200％となる。本研究では、励起子生成の量子収率を向上させるだけでなく、電子移動や一重項酸素発生などの逐次反応系の構築にも成功した。

研究成果

• [国際共同研究] タンペレ大学(フィンランド)
• [国際共同研究] タンペレ大学(フィンランド)
• [国際共同研究] タンペレ工科大(フィンランド)
• [雑誌論文] Synergetic Role of Conformational Flexibility and Electronic Coupling for Quantitative Intramolecular Singlet Fission (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Shunta、Sakai Hayato、Nagashima Hiroki、Fuki Masaaki、Onishi Kakeru、Khan Ramsha、Kobori Yasuhiro、Tkachenko Nikolai V.、Hasobe Taku
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 125 号: 33 ページ: 18287-18296
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c04734
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Near-Unity Singlet Fission on a Quantum Dot Initiated by Resonant Energy Transfer (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Zhang, H. Sakai, K. Suzuki, T. Hasobe, N. V. Tkachenko, I. Chang, K. Hyeon-Deuk, H. Kaji, T. Teranishi, and M. Sakamoto
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 143 号: 42 ページ: 17388-17394
  • DOI: 10.1021/jacs.1c04731
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular Design Strategy for High-Yield and Long-Lived Individual Doubled Triplet Excitons through Intramolecular Singlet Fission (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasobe Taku、Nakamura Shunta、Tkachenko Nikolai V.、Kobori Yasuhiro
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: 7 号: 1 ページ: 390-400
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02300
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Systematic Control of Structural and Photophysical Properties of π‐Extended Mono‐ and Bis‐BODIPY Derivatives (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, H. Sakai, H. Suzuki, J. Kawamata, T. Hasobe
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 26 号: 1 ページ: 316-325
  • DOI: 10.1002/chem.201904282
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient Near-Infrared Light-Driven Hydrogen Evolution Catalyzed by a Saddle-Distorted Porphyrin as a Photocatalyst (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Kotani, T. Miyazaki, E. Aoki, H. Sakai, T. Hasobe, T. Kojima
  • 雑誌名: ACS. Appl. Eenergy Mater. 巻: 3 号: 4 ページ: 3193-3197
  • DOI: 10.1021/acsaem.0c00206
  • NAID: 120007170585
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controlled Orientations of Neighboring Tetracene Units by Mixed Self-Assembled Monolayers on Gold Nanoclusters for High-Yield and Long-Lived Triplet Excited States through Singlet Fission (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Saegusa, H. Sakai, H. Nagashima, S. Nakamura, Y. Kobori, N. V. Tkachenko, T. Hasobe
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 141 号: 37 ページ: 14720-14727
  • DOI: 10.1021/jacs.9b06567
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative Sequential Photoenergy Conversion Process from Singlet Fission to Intermolecular Two-Electron Transfers Utilizing Tetracene Dimer (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Shunta、Sakai Hayato、Nagashima Hiroki、Kobori Yasuhiro、Tkachenko Nikolai V.、Hasobe Taku
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: 4 号: 1 ページ: 26-31
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.8b01964
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Pentacene-based Nanotube Displaying Enriched Electrochemical and Photochemical Activities (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuroda Kiyonori、Yazaki Kohei、Tanaka Yuya、Akita Munetaka、Sakai Hayato、Hasobe Taku、Tkachenko Nikolai V.、Yoshizawa Michito
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 58 号: 4 ページ: 1115-1119
  • DOI: 10.1002/anie.201812976
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High‐Yield Generation of Triplet Excited States by an Efficient Sequential Photoinduced Process from Energy Transfer to Singlet Fission in Pentacene‐Modified CdSe/ZnS Quantum Dots (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai Hayato、Inaya Ryutaro、Tkachenko Nikolai V.、Hasobe Taku
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 24 号: 64 ページ: 17062-17071
  • DOI: 10.1002/chem.201803257
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multiexciton Dynamics Depending on Intramolecular Orientations in Pentacene Dimers: Recombination and Dissociation of Correlated Triplet Pairs (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai Hayato、Inaya Ryutaro、Nagashima Hiroki、Nakamura Shunta、Kobori Yasuhiro、Tkachenko Nikolai V.、Hasobe Taku
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 9 号: 12 ページ: 3354-3360
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b01184
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Tetracene Molecular Architectures for High-Yield and Long-Lived Individual Triplet States through Singlet Fission (2021)
  • 著者名/発表者名: Taku Hasobe, Hayato Sakai, Yasuhiro Kobori, Nikolai V. Tkachenko
  • 学会等名: 239th The Electrochemical Society Center Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フェロセンをリンカーとするペンタセン二量体の合成と分子内一重項分裂発現 (2021)
  • 著者名/発表者名: 早坂 稜、酒井 隼人、羽曾部 卓
  • 学会等名: 2021web光化学討論会
• [学会発表] 多重分子による協同的励起状態制御と電気化学測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 羽曾部 卓
  • 学会等名: 2019電気化学会秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] 多重分子の協同的相互作用による励起状態制御の新展開 (2019)
  • 著者名/発表者名: 羽曾部 卓
  • 学会等名: 東工大 超分子分析化学セミナー9
  • 招待講演
• [学会発表] Construction of Organic and Inorganic Hybrid Nanomaterials utilizing Acene Derivatives for Efficient Singlet Fission (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Hasobe and H. Sakai
  • 学会等名: 235th The Electrochemical Society Center Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-yield singlet fission and sequential photoinduced process in acene-based molecular assemblies (2019)
  • 著者名/発表者名: Taku Hasobe
  • 学会等名: International Workshop Photofunctional Materials Using Spin Degrees of Freedom: Interplay among synthesis, measurement, and theory.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子ドット表面にアルカンチオール単分子膜を介して化学修飾したテトラセン誘導体の合成および光物性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 北野 麻奈・酒井 隼人・羽曾部 卓
  • 学会等名: 第99日本化学会春季年会
• [学会発表] Observation of Quantitative Intermolecular Two-Electron Transfer Process through Highly Efficient Singlet Fission in Tetracene Dimer (2019)
  • 著者名/発表者名: NAKAMURA, Shunta; SAKAI, Hayato; NAGASHIMA, Hiroki; KOBORI, Yasuhiro; TKACHENKO, Nikolai; HASOBE, Taku
  • 学会等名: 第99日本化学会春季年会
• [学会発表] Structural and Photophysical Properties of Pentacene-based Self-assembled Monolayers on Gold Nanomaterials (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Hasobe and Hayato Sakai
  • 学会等名: 233rd The Electrochemical Society Center Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光機能発現に向けた有機材料の設計戦略と応用展開 (2018)
  • 著者名/発表者名: 羽曾部 卓
  • 学会等名: 電気化学会関東支部主催 第54回学際領域セミナー「光電気化学的応用のためのナノマテリアル設計」
  • 招待講演
• [学会発表] 二次元π共役分子および集合体の励起ダイナミクス制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 羽曾部 卓
  • 学会等名: 日本化学会低次元系光機能材料研究会 第7回研究講演会―二次元構造を有するπ電子系の光・電子機能―
  • 招待講演
• [学会発表] テトラセンアルカンチオール修飾金ナノクラスターにおける一重項分裂の制御と反応展開 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三枝 稔幸・酒井 隼人・ トカチェンコ ニコライ・羽曾部 卓
  • 学会等名: 2018光化学討論会