東大ら,界面制御で高性能有機無機ハイブリッド材料

東京大学と大阪公立大学は,無機材料上の有機分子の一つ一つが環状の分子で覆われたロタキサン構造を用いることで,界面における分子の塊を抑制し,人工的に分子を整理させる新しい戦略を報告した(ニュースリリース)。

太陽電池や発光デバイス,触媒などの分野で注目を集めているハイブリッド材料の多くは,無機材料の表面に有機分子を結合させることで作製され,界面の状態によって,その材料の性能が大きく左右されることが知られている。

このようなハイブリッド材料において,その有機材料としては光機能性や伝導性に優れたπ共役分子が多く用いられているが,π共役分子は強い引力を持つため,無機材料の上で無秩序に凝集した塊を形成しやすく,π共役分子が本来有するはずの光物性や伝導性を悪化させることが問題とされてきた。

ハイブリッド材料で優れた性能を実現するためには,整った界面を作り出すことが鍵となる。しかし,無機材料表面上の有機分子はナノメートルスケールと非常に小さいため,容易ではなかった。

今回,研究グループは,π共役分子を一つ一つ環状の分子で覆う,ロタキサンと呼ばれる構造を用いることで,無機材料上におけるπ共役分子の凝集を抑制した。このような構造では,一つ一つのπ共役分子が隔離され,凝集の原因となるπ-π相互作用が,環状の分子によって互いに防がれるため,凝集のない整理された界面を作り出すことが期待されるという。

具体的には,メチル化シクロデキストリンと呼ばれる環状の分子を,π共役分子に接続しながら貫通した分子を新規に合成し,導電性の無機材料である酸化インジウムスズ(ITO)やフッ素ドープ酸化スズ(FTO)の基板上に修飾した。

その表面を観察したところ,貫通構造を持たない分子はその強いππ相互作用によって無機材料表面上で凝集した塊を形成しやすいのに対し,貫通構造を持つ分子では,凝集のない表面が実現していた。

この凝集のないハイブリッド材料は,π共役分子一つ一つが配線のように振る舞うため,高い電子移動速度を持ち,導電性に優れる。これを電気によって酸素をより高エネルギーな過酸化水素へと変換する電気化学触媒として応用したところ,貫通構造を持つ分子を足場として利用した触媒は,貫通構造を持たない触媒に比べて分子の凝集が抑制され,高い触媒効率と過酸化水素への高い反応選択性を持つことが判明した。

加えて,凝集のない整理された界面を持つこの触媒は,従来の触媒よりも弱い酸性条件下で,かつ低い電圧で駆動する触媒であることも明らかになった。研究グループは今後,この整理整頓された界面を,太陽電池や発光デバイスへと展開し,より高効率なデバイス材料の実現を目指すとしている。

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