一般に、物質は主に物質内部で光を吸収します。（左図参照）それとは対照的に、当研究室では、2つの物質の界面で起こる光吸収機構である界面電荷移動吸収について世界に先駆けて研究を行っています。この光吸収機構の特徴を簡単に言うと、二種類の無色（白色）の材料を化学的に結合させるだけで可視光を吸収する物質を作ることができます。さらに、光吸収と同時に電子移動が起きるため、太陽電池や光触媒反応に有望な光吸収機構です。この光吸収機構は、1990年頃に初めて報告されましたが、それ以降、研究はあまり進んでいませんでした。[1] 我々は、本光吸収機構の確立と体系化を目的に、界面電荷移動吸収が発現する条件やメカニズムを解明し、様々な無機（TiO2, SrTiO3, BaTiO3, ZnO等）と有機（芳香族カルボン酸、フェノール類、チオフェノール類、ピリジン類等）からなるハイブリッド材料が界面電荷移動吸収を可視域で示すことを実験と理論計算の両面から明らかにしました。[2,3]界面電荷移動吸収は、現在、太陽電池や光触媒反応への応用が期待されています。

参考論文

1. J. Moser, et al.  Surface Complexation of Colloidal Semiconductors Strongly Enhances Interfacial Electron-Transfer Rates. Langmuir 1991, 7, 3012-3018 

2. J. Fujisawa, et al. A Single Ti–O–C Linkage Induces Interfacial Charge–Transfer Transitions between TiO2 and a π–Conjugated Molecule. Chem. Phys. Lett. 2016, 657, 172–176.

3. J. Fujisawa, et al. Interfacial Charge-Transfer Transitions in Weakly-Coupled TiO2 Complexes with Aromatic Monothiols for Visible-Light Photocatalytic Reactions. J. Phys. Chem. C 2022, 126, 11602−11610. 

地球温暖化は、火力発電や工場から大量に排出されている温室効果ガス(CO2等)により引き起こされており、現在、地球規模の大きな問題となっています。地球温暖化を抑制するためには、その原因物質であるCO2を回収し有効に利用する必要があります。特に、CO2の利用方法の開拓が重要な課題となっています。CO2は、皆さんが飲んでいる炭酸飲料水のように直接利用するだけでなく、別の化学物質(CO2固定物質)に変換してから利用する方法があります。もし、CO2固定物質を太陽電池に用いることができれば、CO2の有効利用と再生可能エネルギーの創出の両方が可能になります。しかし、CO2固定物質は無色で可視光を吸収できないため、そのままでは太陽電池の光吸収材として用いることができません。そこで、本研究では、前述の界面電荷移動吸収に着目し、CO2固定物質(サリチル酸、安息香酸誘導体等)をTiO2ナノ粒子と組み合わせることで可視光吸収材料を作成しました。[1]この光吸収機構を基に、最近、CO2固定物質を用いた太陽電池の開発に初めて成功しました。[2]

参考論文

1. J. Fujisawa, et al. Interfacial Charge-Transfer Transitions between TiO2 Nanoparticles and Benzoic Acid Derivatives. J. Phys. Chem. C 2021, 125, 25075−25086.

2. J. Fujisawa, et al. Interfacial Charge-Transfer Transitions Enable Photovoltaic Conversion with CO2-Fixation Products. Chem. Commun. 2024, 60, 7918–7921.