広帯域時間分解分光による動的エキシトン時間発展の追跡

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 動的エキシトンの学理構築と機能開拓
• 研究課題/領域番号: 20H05838
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 山方 啓 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (60321915)
• 研究期間 (年度): 2020-11-19 – 2025-03-31
• キーワード: 有機太陽電池 / 非フラーレン型アクセプター / 時間分解赤外分光 / 電荷分離 / 再結合

研究実績の概要

我々は、昨年までに時間分解赤外分光計測を行うと、非フラーレン型アクセプター（NFA）分子における伝導帯電子と束縛電子を区別することが可能であり、さらに、NFA分子の末端に電子受容部として付与されたC≡N基の伸縮振動数の時間変化を観察することで、分子内・分子間電荷分離過程を詳しく解析可能であることを報告してきた。本年度は、大阪大学の家教授らが開発した五員環縮環とスピロフルオレンを組み合わせたIDTTSTF-DCI (NFA-T)とフルオレンの代わりにビチオフェンを用いたIDTTSF-DCI (NFA-F)を用いて、NFA薄膜中における電荷分離過程を明らかにした。
まず比較対象としてITIC単体薄膜に685 nmのポンプ光を照射してC≡N伸縮振動の赤外過渡吸収スペクトルを測定した結果、光照射前に2224 cm-1観測されたC≡N伸縮振動が、ポンプ光照射によって2204と2180 cm-1にシフトすることを見いだした。DFT計算の結果、これらの吸収はそれぞれ分子内電荷分離を引き起こすS1状態と分子間電荷分離によって生成したアニオン状態に帰属されることが分かった。つまり、ITIC単体薄膜でも電子と正孔が分離することが分かった。次に、NFA-Fにポンプ光を照射したところ、ITICの場合と同様に、光照射1 ps 以内にC≡N伸縮振動が2224 cm-1から2204 cm-1にシフトするが、その後、約60 psかけて2190 cm-1にシフトすることが分かった。一方、NFA-Tの場合には、光照射1 ps以内に2180 cm-1までシフトする。この結果は、NFA-Tの方がNFA-Fよりも分子間電荷分離が起きやすいことを示唆している。実際に、NFA-Tの方がNFA-Fよりも発電効率が高いことから、NFA単膜中での電荷分離効率がOPVの性能の違いを支配している可能性があることが分かった。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

時間分解赤外分光計測によって分子内・分子間電荷分離過程を区別する手法は、ITIC以外の非フラーレン型アクセプター分子にも適用可能であることを明らかにした。本手法で得られる情報は、従来広く行われている可視から近赤外域の分光計測では得られない斬新なものであり、さらに高い性能を有するNFA分子の設計に役立つと期待している。

今後の研究の推進方策

本研究で用いたNFA-TとNFA-Fは、ITICと比べてアクセプター・ドナー・アクセプター骨格はITICと同じであり、側鎖の構造が異なるだけである。側鎖の構造が異なると、分子のスタック構造が変化することが期待され、このスタック構造の違いが分子間電荷分離の違いを支配していると考えている。今後、成膜条件や異分子を混合することでこのスタック構造を制御し、分子間電荷分離の効率がどのように変化するかを明らかにする予定である。

研究成果

• [国際共同研究] National Yang Ming Chiao Tung University(台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Yang Ming Chiao Tung University
• [国際共同研究] National Chung Hsing University(台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Chung Hsing University
• [国際共同研究] POSTECH(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: POSTECH
• [国際共同研究] MSU-IIT(フィリピン)
  • 国名: フィリピン
  • 外国機関名: MSU-IIT
• [国際共同研究] Technische Universitat Berlin(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Technische Universitat Berlin
• [雑誌論文] An efficient particulate photocatalyst for overall water splitting based on scandium and magnesium co-doped strontium titanate (2024)
  • 著者名/発表者名: Riku Okamoto Shigeru Ikeda*, Akira Kimura, Yuhi Nakayasu, Akira Yamakata, Ryota Tomizawa, Taizo Masuda, Koichiro Nakatani
  • 雑誌名: Sustain.Energy Fuels. 巻: 8 ページ: 202-209
  • DOI: 10.1039/d3se01408h
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Suppression of Charge Recombination by Vertical Arrangement of A Donor Moiety on Flat Planar Dyes for Efficient Dye-Sensitized Solar Cells (2024)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Higashino* Qi Guo, Rintaro Adachi, Chayanit Wechwithayakhlung, Daniel Packwood, Akira Yamakata*, Hiroshi Imahori*,
  • 雑誌名: ChemSusChem 巻: in press ページ: e202301661
  • DOI: 10.1002/cssc.202301661
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient and stable visible-light-driven Z-scheme overall water splitting using an oxysulfide H2 evolution photocatalyst (2024)
  • 著者名/発表者名: Yiwen Ma Lihua Lin, Junie Jhon M Vequizo, Mamiko Nakabayashi, Chen Gu, Xiaoping Tao, Hiroaki Yoshida, Yuriy Pihosh, Yuta Nishina, Akira Yamakata, Naoya Shibata, Takashi Hisatomi, Tsuyoshi Takata, Kazunari Domen*,
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 15 ページ: 397
  • DOI: 10.1038/s41467-024-44706-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Trapping of Intermediates of a Photocatalytic Oxygen Evolution Reaction in Overall Water Splitting (2024)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Nakayama Fumiaki Amano*, Souta Suzuki, Akira Yamakata, Kosuke Beppu
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 7 ページ: 1398-1402
  • DOI: 10.1021/acsaem.3c03172
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carbon Nitride Loaded with an Ultrafine, Monodisperse, Metallic Platinum-Cluster Cocatalyst for the Photocatalytic Hydrogen-Evolution Reaction. (2023)
  • 著者名/発表者名: Daichi Yazaki, Tokuhisa Kawawaki*, Daisuke Hirayama, Masanobu Kawachi, Kosaku Kato, Sota Oguchi, Yuichi Yamaguchi, Soichi Kikkawa, Yoshiya Ueki, Sakiat Hossain, DJ Osborn, Fumihiko Ozaki, Shunsuke Tanaka, Jun Yoshinobu, Gregory F Metha, Seiji Yamazoe, Akihiko Kudo, Akira Yamakata, Yuichi Negishi*
  • 雑誌名: Small. 巻: 19 ページ: e2208287
  • DOI: 10.1002/smll.202208287
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Improved Photocatalytic O2 Evolution on a Sille?n?Aurivillius Perovskite Oxychloride Bi6NbWO14Cl by Rh2O3 Additives and Surface Modifications (2023)
  • 著者名/発表者名: Hajime Suzuki, Takanori Takashima, Osamu Tomita, Tomoki Kanazawa, Shunsuke Nozawa, Kosaku Kato, Akira Yamakata, Kouichi Nakashima, Akinori Saeki, Ryu Abe*
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 127 ページ: 7965-7973
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c00846
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unfolding the Impact of H2-Reduction Treatment in Enhancing the Photocatalytic Activity of Rutile TiO2 Based on Photocarriers Dynamics (2023)
  • 著者名/発表者名: Junie Jhon M. Vequizo, Kosaku Kato, Fumiaki Amano, Akira Yamakata*
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 127 ページ: 10411-10418
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c00855
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of crystal-phase and color tunable mixed anion co-doped titanium oxides and their controllable photocatalytic activity (2023)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hhasegawa Jingdi Cao, Yusuke Asakura, Akira Yamakata, Peng Sun, Wenbin Cao, Shu Yin*
  • 雑誌名: Int. J. Miner. Metall. Mater. 巻: 30 ページ: 2036-2043
  • DOI: 10.1007/s12613-022-2573-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Metal Single-Atom Cocatalyst on Carbon Nitride for the Photocatalytic Hydrogen Evolution Reaction: Effects of Metal Species (2023)
  • 著者名/発表者名: Tokuhisa Kawawaki* Yuki Akinaga, Hinano Kameko, Yuki Yamazaki, Kenji Yamazaki, Yuhi Nakayasu, Kosaku Kato, Yuto Tanaka, Adie Tri Hanindriyo, Makito Takagi, Tomomi Shimazaki, Masanori Tachikawa, Akira Yamakata, Yuichi Negishi*,
  • 雑誌名: Adv.Funct.Mater., 巻: 33 ページ: 2303321
  • DOI: 10.1002/adfm.202303321
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In situ surface-enhanced infrared absorption analysis of the excited carrier transfer from n-type Si photoelectrode to Pt oxygen evolution cocatalyst by probing adsorbed CO molecules (2023)
  • 著者名/発表者名: Reiya Konaka Shu Ashimura, Taki Suginaga, Kazuki Harada, Akira Yamakata, Chechia Hu, Hepsiba Niruba Catherine, Ke-Hsuan Wang, Takeshi Kawai, Masaaki Yoshida*,
  • 雑誌名: J Taiwan Inst Chem Eng. 巻: 158 ページ: 105121
  • DOI: 10.1016/j.jtice.2023.105121
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photocatalytic Hydrogen Evolution Activity of Nitrogen/Fluorine-Codoped Rutile TiO2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Megumi Okazaki Akinobu Miyoshi, Kosaku Kato, Tomoki Kanazawa, Toshiyuki Yokoi, Shunta Nishioka, Shunsuke Nozawa, Akira Yamakata, Kazuhiko Maeda*,
  • 雑誌名: ACS Omega. 巻: 8 ページ: 41809-41815
  • DOI: 10.1021/acsomega.3c06492
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Quantitative Study on the Relationship of Specific Surface Area and Carrier Lifetime to Photocatalytic Activity of Anatase TiO2 Nanoparticles (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosaku Kato Shimpei Naniwa, Akira Yamakata*, Akira Yamamoto, Hisao Yoshida*,
  • 雑誌名: ACS Catal. 巻: 13 ページ: 15212-15218
  • DOI: 10.1021/acscatal.3c04209
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sub-50 nm perovskite-type tantalum-based oxynitride single crystals with enhanced photoactivity for water splitting (2023)
  • 著者名/発表者名: Mamiko Nakabayashi Jiadong Xiao, Takashi Hisatomi, Junie Jhon M Vequizo, Wenpeng Li, Kaihong Chen, Xiaoping Tao, Akira Yamakata, Naoya Shibata, Tsuyoshi Takata, Yasunobu Inoue, Kazunari Domen*,
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 14 ページ: 8030
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43838-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An emissive charge-transfer excited-state at the well-defined hetero-nanostructure interface of an organic conjugated molecule and two-dimensional inorganic nanosheet (2023)
  • 著者名/発表者名: Daizu Mizutani Tomokazu Umeyama*, Yuki Ikeda, W Ryan Osterloh, Futa Yamamoto, Kosaku Kato, Akira Yamakata*, Masahiro Higashi, Takumi Urakami, Hirofumi Sato, Hiroshi Imahori*,
  • 雑誌名: Chem.Sci 巻: 14 ページ: 11914-11923
  • DOI: 10.1039/D3SC03604A
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Co-doping of a La 5 Ti 2 Cu 0.9 Ag 0.1 O 7 S 5 photocatalyst (λ< 700 nm) with Ga and Al to enhance photocatalytic H 2 evolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhenhua Pan Xiaojun Wang, Junie Jhon M Vequizo, Takashi Hisatomi, Swarnava Nandy, Tomohiro Higashi, Lihua Lin, Jiadong Xiao, Tsuyoshi Takata, Akira Yamakata, Wei Yan*, Kazunari Domen*,
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 59 ページ: 6913-6916
  • DOI: 10.1039/D3CC01863F
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 時間分解赤外分光法を用いた光触媒と有機太陽電池の動作機構解明 (2024)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 『日本分光学会・赤外ラマン分光部会シンポジウム「機能性分子・材料の赤外ラマン分光による解析」』
  • 招待講演
• [学会発表] 金属酸化物助触媒の電子捕捉効果と正孔捕捉効果の違い (2024)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 電気化学会第９１回大会
• [学会発表] 層状Ti混合酸化物光触媒La2Ti2O7のH2O分解反応に対する調製条件の影響 (2024)
  • 著者名/発表者名: 木本貴之・酒井海渡・酒多喜久・山方啓
  • 学会等名: 第133回触媒討論会
• [学会発表] フェムト秒時間分解赤外分光法による非フラーレン型アクセプター分子の電荷分離過程の解明 (2024)
  • 著者名/発表者名: 安達 麟太郎、梅山 有和、今堀 博、山方 啓
  • 学会等名: 日本化学会第104春季大会（2024）
• [学会発表] Observation of Free Carriers in Non-Fullerene Acceptors with Broadband Mid-Infrared Transient Absorption Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosaku Kato Akira Yamakata, T. Urakami, M. Higashi, H. Sato, T. Umeyama, and H. Imahori.
  • 学会等名: 243rd Meeting of the Electrochemical Society
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Defects for the Enhancement of Photocatalytic Activity (2023)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: The 28th North American Catalysis Society Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Wideband Transient Absorption Spectroscopy of Dynamics Exciton (2023)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: International Summer Course of National Yang Ming Chiao Tung Univeristy (NYCY) 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フェムト秒時間分解赤外分光計測による非フラーレン型アクセプター分子の電荷分離過程の観察 (2023)
  • 著者名/発表者名: 安達 麟太郎 山方 啓, 加藤 康作,陣内 青萌,梅山 有和,家 裕隆,今堀 博
  • 学会等名: 2023光化学討論会
• [学会発表] ピレン修飾二硫化モリブデンナノシートの光物性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 水谷 太寿 梅山 有和 , 加藤 康作, 山方啓,東 雅大,今堀 博
  • 学会等名: 2023光化学討論会
• [学会発表] 金属単原子担持光触媒による水分解水素生成反応活性：金属種依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 亀甲 ひなの 山崎 悠生, 川脇 徳久,山崎 憲慈,加藤 康作,山方 啓,根岸 雄一
  • 学会等名: 2023電気化学秋季大会
• [学会発表] 非フラーレン型アクセプター分子の光励起ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 安達 麟太郎 山方 啓, 加藤 康作,陣内 青萌,家 裕隆,梅山 有和,今堀 博
  • 学会等名: 2023電気化学秋季大会
• [学会発表] 調製条件を制御したNb混合酸化物のH2O分解反応に対する光触媒特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鷲頭直樹 山田優仁, 山方啓,酒多喜久
  • 学会等名: 第132回触媒討論会
• [学会発表] 配位高分子からなる可視光応答型光触媒の時間分解分光計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: CHOMPONOOT 中安雄飛, Suppaso,鎌倉吉伸,田中大輔,前田和彦,山方啓
  • 学会等名: 第132回触媒討論会
• [学会発表] 広帯域時間分解分光計測を用いた無機・有機半導体材料のキャリアダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 第42回固体・表面光化学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 時間分解分光を利用した有機半導体界面における光励起ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 第17回物性科学領域横断研究会 凝縮系科学の最前線
  • 招待講演
• [学会発表] Binding States of Photogenerated Charge Carriers in Non-Fullerene Acceptors Studied by Broadband Transient Absorption Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: 3rd International Symposium on Dynamic Exciton (ISDyEx)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Femtosecond time-resolved IR absorption study of the charge carrier dynamics in NFAs (2023)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Dynamic Exciton (ISDyEx) and International Symposium on Chiral Nanostructures for Photonique Applications
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 山方 啓 PERSONAL PAGE
  • URL: http://okadaichem.jp/surface/