九大,重金属フリーで高効率の紫外UC材料を発見

九州大学の研究グループは,重金属フリーでありながら可視光を紫外光へと高効率にアップコンバージョンする分子性材料を発見した(ニュースリリース)。

近年,太陽光を光源として,水素の製造や,有害物質の分解や消臭・抗菌などを行なう光触媒に関する研究が多く行なわれている。

これらの高効率化のためには,高いエネルギーを有する紫外光(波長400nm以下)を用いることが重要だが,地表に届く太陽光のうち紫外光の割合は限られており,太陽光の強度も弱いことから,光触媒の高効率化のためには,低い励起光強度で駆動するアップコンバージョン系の開発が必要となる。

アップコンバージョンにはいくつかの機構が存在するが,特に有機分子の三重項-三重項消滅に基づくアップコンバージョン(TTA-UC)は,他の機構よりも弱い強度の光を変換可能であるという点でより実用的といえる。

従来の可視光から紫外光へのTTA-UC系(可視→紫外TTA-UC)では,UC効率が20%を超える高効率な系が報告されてきたが,いずれもドナー分子にイリジウムやカドミウムといった重金属が含まれており,コストと持続可能性の観点から問題を抱えていた。

一方,重金属を含まない可視→紫外TTA-UC系も報告されているが,UC効率が最大で8.2%に留まり,太陽光(数mW/cm2)よりも1000倍ほど強い強度の励起光(>W/cm2)が必要なため,重金属フリーかつ高効率な可視→紫外TTA-UC系の開発が求められてきた。

そこで研究では,強い可視光吸収および高い系間交差(ISC)効率を持つ重金属フリーなドナー分子の探索を行ない,ケトクマリン誘導体に着目した。研究グループが以前開発した,ドナー分子から効率的にエネルギーを受け取り,紫外域に発光を示すアクセプター分子と組み合わせることで,重金属フリーな可視→紫外TTA-UC系における最大のUC効率20.3%を達成した。

また,従来系では強い励起光(>W/cm2)が必要であったのに対し,この系ではTTA-UCの駆動に必要な励起光強度を数十mW/cm2まで大幅に下げることにも成功したという。

今回,重金属フリーな可視→紫外アップコンバージョン系の開発において,従来系に比べて2倍以上高いUC効率を達成し,また必要な励起光強度を大幅に下げることに成功した。研究グループは,重金属を含んでいないことから,低コストかつ高い持続可能性を有するアップコンバージョンシステムの開発が期待されるとしている。

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