フラーレン修飾二酸化チタンの光エネルギー変換サイクルの開発

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15033207
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 伊藤 攻 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (30006332)
• 研究分担者: 荒木 保幸 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (80361179)
• キーワード: フラーレン / 二酸化チタン / 光エネルギー変換

研究概要

フラーレン誘導体の二酸化チタン微結晶への固定とその光電荷移動過程を解明することで、光エネルギー変換サイクルの実現を目指した。
フラーレン誘導体と電子ドナー(p-アニシジン)との分子間電子移動反応によって生じた電荷を二酸化チタンへと導入するためにフラーレンにカルボン酸を導入した化合物を2種類合成した。二酸化チタンはチタニウムイソプロポキシドより調整することにより、超微粒子が分散液として得られることが判明しており、分散液中でカルボン酸を導入したフラーレンにより修飾が可能であった。この修飾フラーレンが関与する光誘起電子移動反応の速度論的データを得るために、修飾フラーレン溶液中にドナーおよび犠牲ドナーを入れることにより、フラーレン励起状態からの電子移動反応、二酸化チタンへの電子移動は溶液中のメチルビオロゲンへの電子移動反応を、それぞれレーザーフラッシュフォトリシス方によって測定した。
また、二酸化チタン超微粒子存在条件下、修飾フラーレンと電子ドナーとの光誘起電子移動反応を同様に観測した。修飾フラーレン-電子ドナー間の電子移動後、フラーレンラジカルアニオン-二酸化チタン間の電子移動反応を観測したが、電子移動速度が当初の予想より小さく、電子の授受が逆電子移動と競争してしまうことが明らかとなった。フラーレンアニオンラジカル-二酸化チタン微粒子間の電子移動反応の自由エネルギー変化がほとんどないか、修飾フラーレンの二酸化チタン微粒子への吸着量不足によるものと判断された。
導電性ガラス上に吸着させた二酸化チタン表面にフラーレン誘導体を固定し、光エネルギー変換デバイスを構築し、その基礎的物性を評価した。上記のフラーレンラジカルアニオン-二酸化チタン間の電子授受がうまく機能しない問題点のため変換効率としては高くない(0.01〜0.1%程度)が、実際に光エネルギー変換デバイスを構築することに成功した。

研究成果

• [文献書誌] M.-S.Choi, T.Aida, H.Luo, Y.Araki, Osamu Ito: "Fulleren-Terminated Dendritic Multiporphyrin Arrays : "Dendrimer Effects" on Photoinduced Charge Separation"Angewandte Chemie, International Edition. 42・37. 4060-4063 (2003)
• [文献書誌] K.Yamanaka, M.Fujitsuka, O.Ito, T.Aoshima, T.Fukushima, T.Miyashi: "Photoinduced Electron Transfer from Tetrathienylethylenes to Fullerenes(C_<60>/C_<70>)"Bulletin of the Chemical Society of Japan. 76・7. 1341-1349 (2003)
• [文献書誌] M.E.El-Khouly, L.M.Rogers, M.E.Zandler, G.Suresh, M.Fujitsuka, O.Ito, F.D'Souza: "Studies on Intra-Supramolecular and Intermolecular Electron-Transfer Processes between Zinc Naphthalocyanine and Imidazole-Appended Fullerene"ChemPhysChem. 4. 474-481 (2003)
• [文献書誌] D.Kreher, P.Hudhomme, A.Gorgues, H.Luo, Y.Araki, O.Ito: "Photoinduced Electron Transfer Processes of a Fused C60-TTF-C60 Dumbbell Triad"Physical Chemistry Chemical Physics. 5. 4583-4592 (2003)
• [文献書誌] Y.Araki, H.Luo, S.D.-M.Islam, O.Ito, M.M.Matsushita, T.Iyoda: "Photoinduced Electron Transfer from Nitoxide Free Radicals to Triplet State of C_<60>"The Journal of Physical Chemistry A. 107・15. 2635-2641 (2003)
• [文献書誌] H.Luo, M.Fujitsuka, Y.Araki, O.Ito, P.Padmawar, L.Y.Chiang: "Inter- and Inteamolecular Photoinduced Electron Transfer Processes between C_<60> and Diphenylaminofluorene in Solutions"The Journal of Physical Chemistry B. 107・35. 9312-9318 (2003)
• [文献書誌] S.Fukuzumi, K.Okamoto, Y.Yoshida, H.Imahori, Y.Araki, O.Ito: "Effects of Hydrogen Bonding on Metal Ion-Promoted Intramolecular Electron Transfer and Photoinduced Electron Transfer in a Ferrocene-Quinone Dyad with a Rigid Amide Spacer"Journal of the American Chemical Society. 125・4. 1007-1013 (2003)