粘土鉱物をホスト材料とした人工光捕集系の開発

• 研究課題/領域番号: 24350100
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 有機工業材料
• 研究機関: 首都大学東京
• 研究代表者: 高木 慎介 首都大学東京, 都市環境科学研究科, 教授 (40281240)
• 研究分担者: 嶋田 哲也 首都大学東京, 都市環境科学研究科, 助教 (50252317)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2016年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2015年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2014年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2013年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2012年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
• キーワード: 人工光合成 / 人工光捕集系 / ポルフィリン / 粘土鉱物 / ナノシート / エネルギー移動 / 発光増強 / ナノ材料 / 光捕集系 / ピレン / ベイポクロミズム / フタロシアニン

研究成果の概要

本研究では、太陽光を有効に吸収する人工光捕集系の構築を行った。人工光捕集系の構築には、高密度に集約された色素構造が必要であるが、本研究では粘土鉱物ナノシートをホスト材料とした高密度無会合集合構造を用いた検討を行った。それぞれ吸収波長の異なる２種、または、３種の色素を混在させることにより、効率の良いフェルスター型エネルギー移動に基づく人工光捕集系の構築に成功した。また、これまで人工光捕集系の標準的性能評価方法が存在しなかったが、論文中でその評価方法の提案も行った。
以上の成果より、物質変換系と組み合わせるべき人工光捕集系の構築に対し大きな足がかりを得たと言える。

研究成果

• [国際共同研究] University of Miami(米国)
• [雑誌論文] Energy Transfer among Three Dye Components in a Nanosheet-Dye Complex: An Approach to Evaluating the Performance of a Light-Harvesting System (2017)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, Yuta; Kawaguchi, Shintaro; Shimada, Tetsuya; Takagi, Shinsuke
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 121 号: 4 ページ: 2052-2058
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b10372
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sequential energy and electron transfer in a three-component system aligned on a clay nanosheet (2016)
  • 著者名/発表者名: Takuya Fujimura, Elamparuthi Ramasamy, Yohei Ishida, Tetsuya Shimada, Shinsuke Takagi, Vaidhyanathan Ramamurthy
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 18 号: 7 ページ: 5404-5411
  • DOI: 10.1039/c5cp06984j
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Supramolecular-Surface Photochemistry: Cascade Energy Transfer between Encapsulated Dyes Aligned on Clay Nano-sheet Surface (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tsukamoto, E. Ramasamy、T. Shimada, S. Takagi、V. Ramamurthy
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 32 号: 12 ページ: 2920-2927
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b03962
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Kinetic Analysis by Laser Flash Photolysis of Porphyrin Molecules’ Orientation Change at the Surface of Silicate Nanosheet (2016)
  • 著者名/発表者名: Miharu Eguchi,Tetsuya Shimada,Haruo Inoue, Shinsuke Takagi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 120 号: 13 ページ: 7428-7434
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b01211
  • 査読あり
• [雑誌論文] Room Temperature Phosphorescence from a Guest Molecule Confined in Restrictive Space of an Organic-Inorganic Supramolecular Assembly (2016)
  • 著者名/発表者名: Yohei Ishida, Tetsuya Shimada, Elamparuthi Ramasamy, Vaidhyanathan Ramamurthy and Shinsuke Takagi
  • 雑誌名: Photochemical & Photobiological Sciences 巻: 15 号: 8 ページ: 959-963
  • DOI: 10.1039/c6pp00124f
  • NAID: 120006329001
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] J-aggregate formation behavior of a cationic cyanine dye on inorganic layered material (2015)
  • 著者名/発表者名: Narumi Sato, Takuya Fujimura, Tetsuya Shimada, Tadaaki Tani, Shinsuke Takagi
  • 雑誌名: Tetrahedron Letters 巻: in press 号: 22 ページ: 2902-2905
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2015.04.084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photochemical Chlorination and Oxygenation Reaction of Cyclohexene Sensitized by Ga(III) Porphyrin-Clay Minerals System with High Durability and Usability (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tsukamoto, T. Shimada, T. Shiragami, S. Takagi
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 88 号: 4 ページ: 578-583
  • DOI: 10.1246/bcsj.20140378
  • NAID: 130005064986
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structure resembling effect of clay surface on photochemical properties of meso-phenyl or pyridyl-substituted monocationic antimony(V) porphyrin derivatives (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tsukamoto, T. Shimada, S. Takagi
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 5 号: 11 ページ: 8479-8485
  • DOI: 10.1039/c4ra15650a
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Microstructures of Porphyrin/Viologen Monolayer on the Clay Surface: Segregation or Integration? (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Konno, T. Fujimura, Y. Ohtani, T. Shimada, H. Inoue, S. Takagi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 118 号: 35 ページ: 20504-20510
  • DOI: 10.1021/jp5076274
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-Fixation Induced Emission” of Porphyrazine Dye by a Complexation with Inorganic Nanosheets (2014)
  • 著者名/発表者名: Ishida, Yohei; Shimada, Tetsuya; Takagi, Shinsuke
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 118 号: 35 ページ: 20466-20471
  • DOI: 10.1021/jp506766t
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Switching of Energy Transfer Reaction by the Control of Orientation Factor between Porphyrin Derivatives on the Clay Surface (2014)
  • 著者名/発表者名: Miharu Eguchi, Yo Watanabe, Yuta Ohtani, Tetsuya Shimada, Shinsuke Takagi
  • 雑誌名: Tetrahedron Lett. 巻: 55 号: 16 ページ: 2662-2666
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2014.03.027
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Adsorption and photochemical behaviors of the novel cationic xanthene derivative on the clay surface (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuta Ohtani, Yohei Ishida, Yuka Ando, Hiroshi Tachibana, Tetsuya Shimada and Shinsuke Takagi
  • 雑誌名: Tetrahedron Lett. 巻: 55 号: 5 ページ: 1024-1027
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2013.12.072
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pinning Effect for Photoisomerization of Dicationic Azobenzene Derivative by Anionic Sites of Clay Surface (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Umemoto, Y. Ohtani, T. Tsukamoto, T. Shimada, S.Takagi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 50 号: 3 ページ: 314-316
  • DOI: 10.1039/c3cc47353h
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photochemical Properties of Mono-, Tri-, Penta- Cationic Antimony(V) Metalloporphyrin Derivatives on Clay Layer Surface (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, Takamasa; Shimada, Tetsuya; Takagi, Shinsuke
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 117 号: 33 ページ: 7823-7832
  • DOI: 10.1021/jp405767s
  • 査読あり
• [雑誌論文] Artificial Light-Harvesting Model in a Self-Assembly Composed of Cationic Dyes and Inorganic Nanosheet (2013)
  • 著者名/発表者名: Ishida, Yohei; Shimada, Tetsuya; Takagi, Shinsuke
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 117 号: 18 ページ: 9154-9163
  • DOI: 10.1021/jp4022757
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Density Intercalation of Porphyrin into Transparent Clay Membrane without Aggregation (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Fujimura, T. Shimada, S. Hamatani, S. Onodera, R. Sasai, H. Inoue, S. Takagi
  • 雑誌名: Langrauir 巻: 29 号: 16 ページ: 5060-5065
  • DOI: 10.1021/la4003737
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation of uniformly dispersed non-aggregated gold nanoparticles on the clay surface (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Fujimura, Y. Misaki, D. Masui, T. Shimada, S. Takagi
  • 雑誌名: Clay Science 巻: 16 ページ: 121-125
  • NAID: 110009592272
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of Adsorption Behavior and Energy Transfer of Cationic Porphyrins on Clay Surface at Low Loading Levels by Picosecond Time-Resolved Fluorescence Measurement (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Shimada, S. Hamatani, S. Onodera, Y. Ishida, H. Inoue, S. Takagi
  • 雑誌名: Res. Chem. Intermed. 巻: 39 ページ: 269-278
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regulation of the Collisional Self-quenching of Fluorescence in CIay/Porphyrin Complex by the Strong Host-guest Interaction (2012)
  • 著者名/発表者名: Yohei Ishida, Tetsuya Shimada, Hiroshi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 116 号: 49 ページ: 12065-12072
  • DOI: 10.1021/jp309502j
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unique photochemical behavior of novel tetracationic pyrene derivative on the clay surface (2012)
  • 著者名/発表者名: Satomi Hagiwara, Yohei Ishida, Dai Masui, Tetsuya Shimada, Shinsuke Takagi
  • 雑誌名: Tetrahedron Letters 巻: 53 号: 43 ページ: 5800-5802
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2012.08.079
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Mechanism of the Porphyrin Spectral Shift on Inorganic Nanosheets: The Molecular Flattening Induced by the Strong Host-Guest Interaction Due to the "Size-Matching Rule" (2012)
  • 著者名/発表者名: Yohei Ishida, Dai Hasui, Tetsuya Shimada, Hiroshi Tachibana, Haruo Inoue, Shinsuke Takagi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 116 号: 14 ページ: 7879-7885
  • DOI: 10.1021/jp300842f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adsorption and stacking behavior of zwitterionic porphyrin on the clay surface (2012)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Eyama, Yuko Yogo, Takuya Fujimura, Dai Masui, Tetsuya Shimada, Hiroshi Tachibana, Haruo Inoue,
  • 雑誌名: Clay Minerals 巻: 47 号: 2 ページ: 243-250
  • DOI: 10.1180/claymin.2012.047.2.07
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controlling the micro-adsorption structure of porphyrin dye assembly on claysurfaces using the "size-matching rule" for constructing an efficient energy transfer system (2012)
  • 著者名/発表者名: Ishida, Yohei; Masui, Dai; Tachibana, Hiroshi; Inoue, HaruoI Shimada, Tetsuya; Takagi, Shinsuke
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 4 号: 2 ページ: 811-816
  • DOI: 10.1021/am201465a
  • 査読あり
• [雑誌論文] What lowers the efficiency of an energy transfer reaction between porphyrin dyes on clay surface? (2012)
  • 著者名/発表者名: yohei Ishida, Takuya Fujimura, Daimasui, Tetsuya Shimada, Hiroshi Tachibana, Haruo Inoue, and Shinsuke Takagi
  • 雑誌名: Clay Science 巻: 15 ページ: 169-174
  • 査読あり
• [雑誌論文] How is the water molecule activated on metalloporphyrins? Oxygenation of substrates induced through one-photon/two-electron conversion in artificial photosynthesis by visible light (2012)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Shimada, Akihiro Kumagai, Shigeaki Funyu, Shinsuke Takagi, Dai Masui, Hiroshi Tachibana, Donald A. Tryk, and Haruo Inoue*
  • 雑誌名: Faraday Discuss. 巻: 155 ページ: 145-163
  • 査読あり
• [学会発表] Photochemical Epoxidation With Light Harvesting Functionality On The Inorganic Surfaces (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Takagi, T. Tsukamoto, D. Tatsumi, T. Shimada
  • 学会等名: 2017 International Conference on Artificial Photosynthesis (ICARP2017)
  • 発表場所: 立命館大学（京都府京都市）
  • 年月日: 2017-03-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Surface-Fixation Induced Emission of Dyes on Inorganic nanosheets (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Takagi
  • 学会等名: HKUST Department of Chemistry Symposium
  • 発表場所: Hong Kong (China)
  • 年月日: 2016-11-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unique Photochemical Behavior of Dyes on the Inorganic Surfaces and Their Application to Artificial Photosynthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Takagi
  • 学会等名: International Symposium on Novel Chemistry and Engineering
  • 発表場所: Rayong (Thailand)
  • 年月日: 2016-06-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Construction of Nano Structured Materials Aiming at Artificial Light Harvesting System (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Takagi
  • 学会等名: UK-Japan Solar Driven Fuel Synthesis Workshop: Materials, Understanding and Reactor Design
  • 発表場所: イギリス大使館（東京都千代田区）
  • 年月日: 2016-06-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A construction of artificial light-harvesting system with energy migration functionality of xanthene derivative on the inorganic nano-sheet (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Ohtani, T. Shimada, S. Takagi
  • 学会等名: XXVIth IUPAC Symposium on Photochemistry
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2016-04-03
  • 国際学会
• [学会発表] Photochemical behaviors of cationic cyanine dyes on a clay nanosheet (2015)
  • 著者名/発表者名: Sato, Narumi 1; Fujimura, Takuya 2; Shimada, Tetsuya 1; Takagi, Shinsuke
  • 学会等名: Pacifichem2015
  • 発表場所: Hawaii
  • 年月日: 2015-12-15
  • 国際学会
• [学会発表] Unique luminescence property of a tetra cationic pyrene derivative/clay complex (2015)
  • 著者名/発表者名: OHTANI, Yuta†, *; SHIMADA, Tetsuya†, ‡; TAKAGI, Shinsuke
  • 学会等名: 光化学討論会
  • 発表場所: 阪市大
  • 年月日: 2015-09-09
• [学会発表] Artificial Light Harvesting System Composed of Organic Dyes and Clay Minerals (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Takagi, Y. Ishida, T. Shimada
  • 学会等名: The 249th ACS National Meeting
  • 発表場所: Colorado (USA)
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-26
• [学会発表] 無機ナノシート上での光捕集系構築を目指したキサンテン誘導体からポルフィリンへのエネルギー移動反応 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大谷優太・石田洋平・嶋田哲也・高木慎介
  • 学会等名: 2014年光化学討論会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-10-11 – 2014-10-13
• [学会発表] 粘土鉱物上における色素の吸着挙動～シアニン分子構造の効果～ (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐藤成美・藤村卓也・嶋田哲也・高木慎介
  • 学会等名: 第58回粘土科学討論会
  • 発表場所: 福島
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-27
• [学会発表] ナノシート材料の特異な複合体形成挙動 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第27回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 鹿児島大学
  • 年月日: 2014-09-09 – 2014-09-11
  • 招待講演
• [学会発表] ナノシート材料の光化学反応場としての利用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 学会等名: 日本化学会 低次元系光機能材料研究会 第３回研究講演会
  • 発表場所: 日本化学会館、東京
  • 年月日: 2014-05-09
  • 招待講演
• [学会発表] ナノ層状化合物に吸着したカチオン性金属フタロシアニンを増感剤としたシクロヘキセンの光誘起酸素化反応 (2014)
  • 著者名/発表者名: 本名涼・塚本孝政・嶋田哲也・高木慎介
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
  • 発表場所: 名古屋大
• [学会発表] ナノ構造と光化学 (2013)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 学会等名: 日本化学会第93春季年会
  • 発表場所: 立命館大学びわこ・くさつキャンパス
  • 年月日: 2013-03-01
• [学会発表] 層状化合物-色素複合体の異方性と光機能 (2013)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 学会等名: 日本磁気科学会研究会 第2回界面磁気科学シンポジウム
  • 発表場所: 首都大
  • 招待講演
• [学会発表] 新規ナノシート型人工光捕集系の構築 (2013)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 学会等名: 島根大学物質科学科セミナー
  • 発表場所: 島根大
  • 招待講演
• [学会発表] 無機ナノシート層間におけるポルフィリンの無会合かつ高密度インターカレーションとその光化学的挙動 (2013)
  • 著者名/発表者名: 藤村卓也･小野寺真吾･立花宏･井上晴夫･笹井亮･嶋田哲也･高木慎介
  • 学会等名: 光化学討論会
  • 発表場所: 愛媛大
• [学会発表] ポルフィリン、及び、キサンテン誘導体の粘土ナノシート上での光化学挙動 (2013)
  • 著者名/発表者名: 大谷優太･石田洋平･立花宏･嶋田哲也･井上晴夫･高木慎介
  • 学会等名: 光化学討論会
  • 発表場所: 愛媛大
• [学会発表] 色素一層状化合物複合体 (2012)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 学会等名: 第37回顔料物性講座
  • 発表場所: 東京塗料会館
  • 年月日: 2012-11-01
• [学会発表] 無機ナノシート上における太陽光の有効利用を目指した光化学反応場の構築 (2012)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 学会等名: 第2回CsJ化学フェスタ2012
  • 発表場所: 東京工業大学・大岡山キャンパス
  • 年月日: 2012-10-01
• [学会発表] 粘土ナノシートを基盤とした光化学反応の新展開 (2012)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 学会等名: 日本化学会新佃域研究グループ「低次元無機一有機複合系の光化学」第5回研究講演会
  • 発表場所: 日本化学会館
  • 年月日: 2012-05-01
• [学会発表] Unique Adsorption Structure and Efficient Energy Transfer Reaction of Cationic Porphyrins on the Inorganic Nano-Sheets (2012)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 学会等名: XXIV IUPAC Symposium on Photochemistry
  • 発表場所: Coimbra (Portugal)
• [図書] 二次元物質の科学―グラフェンなどの分子シートが生み出す新世界 （第11章 光化学の舞台としての無機ナノシート） (2017)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 総ページ数: 224
  • 出版者: 化学同人
• [図書] Inorganic Nanosheets and Nanosheet-Based Materials (Chapter 1.&14. ) (2017)
  • 著者名/発表者名: Shinsuke Takagi
  • 総ページ数: 542
  • 出版者: Springer
• [図書] 層状化合物（化学の要点シ リーズ 11） (2014)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介，高木克彦
  • 総ページ数: 120
  • 出版者: 共立出版
• [図書] 層状化合物 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 出版者: 共立出版
• [図書] 革新機能材料の開発と応用展開 (2012)
  • 著者名/発表者名: 高木慎介
  • 出版者: シーエムシー出版