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2019 年度 実績報告書

積層構造を有する発光性希土類配位ナノ粒子の合成と光機能

研究課題

研究課題/領域番号 18H02041
研究機関北海道大学

研究代表者

長谷川 靖哉  北海道大学, 工学研究院, 教授 (80324797)

研究分担者 伏見 公志  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (20271645)
中西 貴之  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (30609855)
北川 裕一  北海道大学, 化学反応創成研究拠点, 特任講師 (90740093)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワードナノ粒子 / 配位高分子 / 発光 / 希土類
研究実績の概要

ナノ粒子上に固定化された希土類配位高分子に関して、2019年度は新規なナノ粒子上への検討を行った。具体的には、研究計画にある「シリカナノ粒子」の粒子表面上への固定化を行った。このシリカナノ粒子はオルトケイ酸テトラエチルとアンモニア水による反応によって合成した。得られたナノ粒子を光散乱測定装置によって測定したところ、平均粒径74nmの単分散粒子であることがわかった。透過型電子顕微鏡による観察では、球状のナノ粒子が合成できていることがわかった。
次に、シリカナノ粒子(SiO2)の表面に配位子を固定するため、トリエチルシリル基がついたホスフィンオキシド配位子の合成を行った。まず、メチル基がついたトリフェニルホスフィンオキシドを参加してカルボン酸に変換し、塩化チオニルによってカルボン酸を酸クロライドにしてから、トリエチルシリル基を含むアミン誘導体と反応を行い、トリエチルシリル導入配位子を合成した。得られた配位子とユウロピウム(Eu)錯体との錯化反応によりトリエチルシリル導入された希土類錯体を合成した。合成されたEu(III)錯体はSiO2ナノ粒子表面に良好に吸着できることがNMRおよびIRから確認された。
得られたSiO2-Eu錯体とSiO2-希土類錯体は強い赤色発光を示し、その発光量子効率は向上し、発光寿命は長寿命化することが明らかとなった。発放射速度および無放射速度を見積もったところ、通常の希土類錯体に比べて放射速度の増大と無放射速度の減少が明らかになった。以上により、Eu(III)錯体をSiO2ナノ粒子表面に固定化することに成功し、ナノ粒子表面に固定化されたEu(III)錯体は発光量子効率が向上することがわかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

初年度では CaSナノ粒子表面へのユウロピウム錯体の固定化に成功した。今回(2年目)は新しくシリカナノ粒子表面上にユウロピウム錯体を固定化することに成功した。このことから本研究はおおむね順調に進んでいる。
また、今回合成されたSiO2ナノ粒子上のユウロピウム錯体の光物理特性を計測したところ、発光寿命の長寿命化と発光量子効率の向上が初めて観察された。つまり、ナノ粒子表面へのユウロピウム錯体固定化は、ユウロピウム錯体単独よりも光機能が向上することを今回初めて明らかにすることができた。
今回の光物理科学計測においてもっとも興味深い点はユウロピウム錯体の無放射失活速度定数が減少している点である。これは無機ナノ粒子表面に固定化されることで、希土類錯体の分子振動構造が変化していることに起因していると考えられる。また、放射速度定数が増大していることから、ナノ粒子表面上にユウロピウム錯体が密集して配位構造が非対称化している可能性が高い。
以上のことから、新規物質(シリカナノ粒子表面上に固定化されたユウロピウム錯体)の合成、および新しい光物理過程の観察(放射速度定数の増大と無放射速度定数の減少)を2019年度に達成することができた。このことから、本研究はおおむね計画通りに進行していると考えられる。

今後の研究の推進方策

最終年度では、得られたシリカナノ粒子表面上に固定化されたユウロピウム錯体を配位高分子へと拡張を行う。具体的には、ベンゼンのパラ位にホスフィンオキシドが結合した二座型配位子を合成し、SiO2-Eu(III)錯体を分散したメタノール溶液にこの二座配位子を導入して、SiO2-Eu(III)錯体-二座配位子を合成する。このSiO2-Eu(III)錯体-二座配位子の生成はIRおよびNMRにより評価する。次に、この系にEu(III)錯体を導入し、「SiO2-Eu(III)錯体-二座配位子-Eu(III)錯体」を合成する。この操作を繰り返して行うことにより、シリカナノ粒子表面上へのEu(III)配位高分子の形成を試みる。さらに、ユウロピウムをテルビウムに変えた「SiO2-Tb(III)錯体」、「SiO2-Tb(III)錯体-二座配位子-Tb(III)錯体」およびTb/Eu混合系の「SiO2-Tb(III)錯体-二座配位子-Eu(III)錯体」も合成する。
得られた「SiO2-Tb(III)錯体」,「SiO2-Tb(III)錯体-二座配位子-Tb(III)錯体」の「SiO2-Tb(III)錯体-二座配位子-Eu(III)錯体」の発光をクライオスタットよって温度可変測定し、その測定から光増感エネルギー移動における活性化エネルギーを算出する。この解析により、ナノ粒子固定化させることによる光物理過程の特異性について評価を行う。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Luminescent lanthanide complex with seven-coordination geometry2020

    • 著者名/発表者名
      P.-P. Ferreira da Rosa, Y. Kitagawa, Y. Hasegawa
    • 雑誌名

      Coordination Chemistry Reviews

      巻: 406 ページ: 213153

    • DOI

      doi.org/10.1016/j.ccr.2019.213153

    • 査読あり
  • [雑誌論文] First aggregation-induced emission of a Tb(III) luminophore based on modulation of ligand-ligand charge transfer bands2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Kitagawa, M. Kumagai, T. Nakanishi, K. Fushimia and Y. Hasegawa
    • 雑誌名

      Dalton Trans.

      巻: 49 ページ: 2431-2436

    • DOI

      DOI: 10.1039/d0dt00528b

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Near-IR Luminescent YbIII Coordination Polymers Composed of Pyrene Derivatives for Thermostable Oxygen Sensors2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Hasegawa, T. Matsui, Y. Kitagawa, T. Nakanishi, T. Seki, H. Ito, Y. Nakasaka, T. Masuda, K. Fushimi
    • 雑誌名

      Chem. Eur. J.

      巻: 25 ページ: 12308-12315

    • DOI

      doi.org/10.1002/chem.201902583

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lifetimes of Lanthanide(III) Triboluminescence Excited by Aerodynamic Shock Waves2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Hirai, A. Kotani, H.Sakaue, Y.Kitagawa, Y. Hasegawa
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 123 ページ: 27251-27256

    • DOI

      DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b08349

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] カルボラン骨格を導入した希土類配位高分子の合成と物性評価2019

    • 著者名/発表者名
      齋藤康樹, 北川裕一, 伏見公志, 長谷川靖哉
    • 学会等名
      第35回希土類討論会
  • [学会発表] Eu(III) and Tb(III) Coordination polymers with strong luminerscence and photo-functional properties2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Hasegawa
    • 学会等名
      International Conference on Photocatalysis and Photoenergy 2019 (ICoPP2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Tb配位高分子における連結配位子構造変化と発光機能評価2019

    • 著者名/発表者名
      森明竜馬, 北川裕一, 伏見公志,長谷川靖哉
    • 学会等名
      日本化学会北海道支部会2019年夏季研究発表会
  • [学会発表] 発光性希土類配位高分子における連結配位子の置換基効果2019

    • 著者名/発表者名
      森明竜馬, 北川裕一, 伏見公志,長谷川靖哉
    • 学会等名
      第31回配位化合物の光化学討論会
  • [学会発表] Synehesesand photophysical properties of Eu(III) coordination polymers built with triphenylene backbones2019

    • 著者名/発表者名
      T. Sawanobori, Y.Kitagawa, S.Shoji,I.Hisaki, K.Fushimi, Y.Hasegawa
    • 学会等名
      2019年光化学討論会
  • [学会発表] Bright luminescence of Eu(III) complex containing chrysene framework for thermosensitive paints2019

    • 著者名/発表者名
      M.Kumagai, Y.Kitagawa, K.Fushimi, Y.Hasegawa
    • 学会等名
      錯体化学会第69回討論会

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公開日: 2021-01-27  

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