実時間状態選別的解析手段による天然および人工光合成過程の解明

• 研究領域: 光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製
• 研究課題/領域番号: 20H05106
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 恩田 健 九州大学, 理学研究院, 教授 (60272712)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 人工光合成 / 時間分解赤外 / CO2還元 / 金属錯体 / 光機能性材料 / 時間分解赤外分光 / 光化学 / 光機能性分子 / 時間分解振動分光 / 錯体化学 / 超分子錯体 / 天然光合成

研究開始時の研究の概要

天然および人工光合成過程は、多くの化学種が関与した多光子、多電子過程である。そのため従来の反応分析法では、そのメカニズムを理解し、高効率で安価な光合成系を人工的に構築することは困難である。そこで本研究では、実時間で化学種およびその状態を選別して測定が可能な各種時間分解振動分光を開発し、さらにそれらを用いて主要な反応過程の機構解明を目的とする。これらの結果を系統的、総合的に理解することにより、複雑な光合成過程の理解、それに基づく人工光合成系の開発に貢献する。

研究実績の概要

光-物質変換過程のように分子の光励起状態を経由する化学反応過程は、光活性種生成直後のフェムト秒から後続の熱的反応が起こるミリ秒まで幅広い時間領域で起こっている。さらに、その間に複数の化学種、電子が関与することから、反応機構解明のためには高い時間分解能、広い測定時間領域に加え、短寿命な化学種およびその状態を選別して観測できる分析手段が求められている。そこで本研究では、その高いエネルギー分解能から状態選別性の高い時間分解赤外分光法に着目し、より複雑な反応系における微量物質の検出が可能な装置およびそのデータ解析法の開発を行った。さらに複雑な系の分析には、同一条件で多くのプローブ手段を相補的に用いることが必要である。そこで、同じ試料に適用可能な時間分解発光分光装置、近赤外から紫外までの過渡吸収分光装置の開発も行った。これらに加え、特に過渡的分子構造決定に有効な時間分解電子線回折、時間分解X線吸収分光測定も、それぞれを専門とするグループとの共同研究によって可能とした。これら装置を用いて、CO2光還元触媒系において、Re(I)カルボニル錯体の励起状態の構造決定とその光物性との関係の解明、主要な中間体である一電子還元CO2付加体の直接観測を行った。また安価な光増感剤として様々な応用の期待されるCu(I)錯体の長励起状態寿命(>100 us)の原因も明らかにした。さらに、CO2光還元半導体-金属錯体複合体における電子移動過程の解明、強い光吸収を示し安定なポルフィリンおよびフタロシアニンを用いた反応系、銅、鉄などの安価な金属を用いた反応系の光過程解明なども行った。さらに開発した計測システムおよび解析手段を応用して、発光性配位高分子、有機発光材料、光誘起酸素輸送材料など、多くのこれまで実時間観測の対象となっていなかった光機能性物質の測定を行い、その動的過程と光機能の関係を詳細に明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Characterisation of Excited States in a Multiple-Resonance-Type Thermally Activated Delayed Fluorescence Molecule Using Time-Resolved Infrared Spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Saigo, Y. Shimoda, T. Ehara, T. Ryu, K. Miyata, K. Onda
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn. 巻: 95 号: 3 ページ: 381-388
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Aggregation-induced emission active thermally-activated delayed fluorescence materials possessing N-heterocycle and sulfonyl groups (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsui Yasunori、Yokoyama Yudai、Ogaki Takuya、Ishiharaguchi Kenta、Niwa Akitsugu、Ohta Eisuke、Saigo Masaki、Miyata Kiyoshi、Onda Ken、Naito Hiroyoshi、Ikeda Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 10 号: 12 ページ: 4607-4613
  • DOI: 10.1039/d1tc05196b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Heavy metal-free visible-to-UV photon upconversion with over 20% efficiency sensitized by a ketocoumarin derivative (2022)
  • 著者名/発表者名: Uji Masanori、Harada Naoyuki、Kimizuka Nobuo、Saigo Masaki、Miyata Kiyoshi、Onda Ken、Yanai Nobuhiro
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 10 号: 12 ページ: 4558-4562
  • DOI: 10.1039/d1tc05526g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-threshold exciton-polariton condensation via fast polariton relaxation in an organic microcavities (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Ishii, K. Miyata, M. Mamada, F. Bencheikh, F. Mathevet, K. Onda, S. Kena-Cohen, C. Adachi
  • 雑誌名: Adv. Opt. Mater. 巻: 10 号: 3 ページ: 2102034-2102034
  • DOI: 10.1002/adom.202102034
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced light-matter interaction and polariton relaxation by the control of molecular orientation (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Ishii, F. Bencheikh, S. Forget, S. Chenais, B. Heinrich, D. Kreher, L. S. Vargas, K. Miyata, K. Onda, T. Fujihara, S. Kena-Cohen, F. Mathevet, C. Adachi
  • 雑誌名: Adv. Opt. Mater. 巻: 10 号: 22 ページ: 2101048-2101048
  • DOI: 10.1002/adom.202101048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photoinduced Oxygen Transport in Cobalt Double-Perovskite Crystal EuBaCo2O5.39 (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, S. Ohmura, T. Ishikawa, M. Saigo, N. Keio, W. Yajima, T. Suzuki, D. Urushihara, K. Takubo, Y. Masaki, M. Kuwahara, K. Tsuruta, Y. Hayashi, J. Matsuo, T. Yokoya, K. Onda, F. Shimojo, M. Hase, S. Ishihara, T. Asaka, N. Abe, T. Arima, S. Koshihara, Y. Okimoto
  • 雑誌名: Appl. Mater. Today 巻: 24 ページ: 101167-101167
  • DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101167
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Achieving Thermally Activated Delayed Fluorescence from Benzophenone by Host-Guest Complexation (2021)
  • 著者名/発表者名: R. K. Koninti, K. Miyata, M. Saigo, K. Onda
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 125 号: 31 ページ: 17392-17399
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c04283
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanistic study of Photocatalytic CO2 reduction using Ru(II)-Re(I) supramolecular photocatalyst (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Kamogawa, Y. Shimoda, K. Miyata, K. Onda, Y. Yamazaki, Y. Tamaki, O. Ishitani
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 12 号: 28 ページ: 9682-9693
  • DOI: 10.1039/d1sc02213j
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Determining Excited-State Structures and Photophysical Properties in Phenylphosphine Rhenium(I) Diimine Biscarbonyl Complexes Using Time-Resolved Infrared and X-ray Absorption Spectroscopies (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuushi Shimoda, Kiyoshi Miyata, Masataka Funaki, Takumi Ehara, Tatsuki Morimoto, Shunsuke Nozawa, Shin-ichi Adachi, Osamu Ishitani, Ken Onda
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 60 号: 11 ページ: 7773-7784
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00146
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Guest-Tunable Excited States in a Cyanide-Bridged Luminescent Coordination Polymer (2021)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Kenta、Yoshino Haruka、Shimoda Yuushi、Saigo Masaki、Miyata Kiyoshi、Onda Ken、Sugimoto Kunihisa、Yamate Hitomi、Miura Hiroki、Le Ouay Benjamin、Ohtani Ryo、Ohba Masaaki
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 60 号: 9 ページ: 6140-6146
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00702
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coordination geometrical effect on LMCT-depended energy transfer processes of luminescent Eu(III) complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Pedro Paulo Ferreira da Rosa, Shiori Miyazaki, Haruna Sakamoto, Yuichi Kitagawa, Kiyoshi Miyata, Tomoko Akama, Masato Kobayashi, Koji Fushimi, Ken Onda, Tetsuya Taketsugu, Yasuchika Hasegawa
  • 雑誌名: J Phys. Chem. A 巻: 125 号: 1 ページ: 209-217
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.0c09337
  • 査読あり
• [雑誌論文] Picosecond dynamics in layered cobalt perovskites studied by time-resolved Raman spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukaya Ryo、Yamaya Nao、Ishikawa Tadahiko、Koshihara Shin-ya、Okimoto Yoichi、Onda Ken、Isayama Akira、Sasagawa Takao、Horigane Kazumasa
  • 雑誌名: Comptes Rendus. Physique 巻: 22 号: S2 ページ: 1-8
  • DOI: 10.5802/crphys.35
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Study of excited states and electron transfer of semiconductor-metal complex hybrid photocatalysts for CO2 reduction using picosecond time-resolved spectroscopies", (2020)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Sato, Sei'ichi Tanaka, Ken-ichi Yamanaka, Shu Saeki, Keita Sekizawa, Takeshi Morikawa, Ken Onda
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 27 号: 3 ページ: 1127-1137
  • DOI: 10.1002/chem.202004068
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intramolecular-Rotation Driven Triplet-to-Singlet Upconversion and Fluctuation Induced Fluorescence Activation in Linearly-Connected Donor-Accepter Molecules (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuushi Shimoda, Kiyoshi Miyata, Masaki Saigo, Youichi Tsuchiya, Chihaya Adachi, Ken Onda
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 153 号: 20 ページ: 204702-204702
  • DOI: 10.1063/5.0029608
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vapor Switching of the Luminescence Mechanism in a Re(v) Complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Kenta Sasaki, Hitomi Yamate, Haruka Yoshino, Hiroki Miura, Yuushi Shimoda, Kiyoshi Miyata, Ken Onda, Ryo Ohtani, Masaaki Ohba
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 56 号: 85 ページ: 12961-12964
  • DOI: 10.1039/d0cc05462c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dual Energy Transfer Pathways from an Antenna Ligand to Lanthanide Ion in Trivalent Europium Complexes with Phosphine-Oxide Bridges (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiori Miyazaki, Kiyoshi Miyata, Haruna Sakamoto, Fumiya Suzue, Yuichi Kitagawa, Yasuchika Hasegawa, Ken Onda
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 124 号: 33 ページ: 6601-6606
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.0c02224
  • 査読あり
• [学会発表] Tracking the multi-step and multi-electron CO2 reduction photocatalytic processes using time-resolved infrared spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Ken Onda
  • 学会等名: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-resolved Spectroscopic Studies on Elementary Processes in Photofunctional Metal Complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Ken Onda
  • 学会等名: The 4th International Symposium on Photofunctional Chemistry of Complex Systems (ISPCCS 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fundamental mechanisms of artificial photosynthesis studied by time-resolved infrared spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Ken Onda
  • 学会等名: 11th Asian Photochemistry Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 発光性希土類錯体におけるエネルギー移動機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 恩田健、宮崎栞、宮田潔志
  • 学会等名: 第383回蛍光体同学会講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 時間分解赤外分光を用いた光機能性物質の動的構造解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 恩田健
  • 学会等名: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第41回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Structural Dynamics in Photofunctional Materials Studied by Time-resolved Infrared Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Ken Onda
  • 学会等名: RIKEN CEMS Topical Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] Detailed Analysis of Emitting Processes of Emitters for OLED using Time-resolved Vibrational Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Ken Onda, Masaki Saigo, Yuushi Shimoda, Kiyoshi Miyata
  • 学会等名: The 27th International Display Workshops
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 時間分解赤外分光 (2021)
  • 著者名/発表者名: 日本化学会、恩田 健
  • 総ページ数: 196
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 9784320044807
• [図書] 時間分解赤外分光 光化学反応の瞬間を診る (2021)
  • 著者名/発表者名: 恩田 健
  • 総ページ数: 196
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 9784320044807
• [備考] 九州大学 分光分析化学研究室
  • URL: http://www.chem.kyushu-univ.jp/Spectrochem/
• [備考] 九州大学理学研究院化学部門分光分析化学研究室
  • URL: http://www.scc.kyushu-u.ac.jp/Spectrochem/
• [備考] 業績リスト 恩田健
  • URL: http://www.scc.kyushu-u.ac.jp/Spectrochem/onda.html