研究組織　公募C班

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公募C班

　
研究代表者 小林 厚志 北海道大学・大学院理学研究院・准教授
多階層型光電荷分離膜を有する水分解色素増感光電気化学セルの構築
太陽光と水、二酸化炭素から有益な化学物質を創り出す「人工光合成」は、エネルギー問題解決に資する有望な反応ですが、実用化にはさらなるエネルギー変換効率の向上が必須です。そのための鍵は光吸収により生じた励起子を電子と正孔に分割して触媒へ導く「光電荷分離過程」にあると本研究では考え、既存の水分解光触媒の活性を飛躍的に向上させる手法として、「階層型光増感色素多層膜」を半導体電極表面へ構築します。強固な配位結合を利用した光増感色素の多層固定によって、多層膜内部に励起エネルギー勾配および酸化還元電位勾配を形成させ、自発的かつ高効率に光電荷分離を誘起するナノ薄膜を形成することで、光電荷分離効率の高効率化を目指します。最終的には固定する色素と多層膜構造、担持する触媒を系統的に制御し、様々な半導体光触媒の活性を大幅に向上可能な手法開発を行います。
　
研究代表者 押切 友也 北海道大学・電子科学研究所・特任准教授
モード強結合光カソードを用いた全可視光応答型光アンモニア合成
アンモニアは化学肥料などの原料となる極めて重要な化学物質であると同時に、水素・エネルギーキャリアとしても注目されている。これまでに、局在表面プラズモンは光をナノ空間に閉じ込め、高い電場増強を示すことから、光触媒反応を含む種々の光化学反応に利用されてきた。最近、プラズモンと薄膜光共振器の光学モード同士を強く相互作用させ、結合させることで新たな混成状態が形成することがわかってきた。この「モード強結合」を用いれば、可視光全域の光をほぼ完全に吸収し、電子・正孔対に変換することが可能となる。本研究は、モード強結合を形成可能な新規光カソードを作製し、水を電子源・プロトン源とし、全可視光を利用して高効率・高選択的にアンモニアを合成するための学理と技術を構築することを目的とする。
　
研究代表者 南本 大穂 北海道大学・理学系・助教
ナノ光局在場における高度光―物質変換系の創生
可視光応答を示すプラズモニック金属ナノ構造を、ワイドバンドギャップ半導体電極の表面に担持することで、電極系に可視光応答能を付与することが可能である。本研究では、p型半導体電極表面に、極限的に光エネルギーを捕集可能なプラズモニック構造体を作製することで、半導体―金属界面に形成するナノ光局在場空間において高効率光－物質変換を可能とする系の構築を目指す。種々の金属構造・入射光波長といった条件に依存する励起電子の電気化学電位を明らかにすることを通じて反応系の最適化を行うとともに、プラズモン誘起還元反応系における反応特異性を明らかにする。それら得られた知見を基に、既存の金属触媒を超えるクリーンで再生可能なエネルギー源を生成可能とする可視光駆動高効率光－物質変換技術の確立を行うことで領域に貢献する。
　
研究代表者 加藤 英樹 東北大学・多元物質科学研究所・教授
研究協力者 熊谷 啓 東北大学・多元物質科学研究所・助教
Ｚスキーム系の実効応答波長拡大のための長波長応答水酸化光触媒の開発
Ｚスキーム型光触媒系は太陽光水分解のための有力な手段である。これまで，Ｚスキームにおける酸素生成光触媒（OEP）にはBiVO4が汎用的に用いられてきたが，BiVO4の吸収短波長は520nmであり，太陽光有効利用には物足りない。より長波長に応答する光触媒をＺスキーム系のOEPとして利用できるようになればＺスキーム系の実効応答波長拡大が可能になる。ペロブスカイト型酸窒化物は多様な光触媒が報告されている有望な材料群であり，酸素生成に対して高い能力を示し，また，その中には長波長光に応答するものもある。しかしながら，これまでにペロブスカイト型酸窒化物をＺスキーム系のOEPに利用した報告はない。本研究では，Ｚスキームの実効応答波長拡大を目的として，BiVO4より長波長に応答するOEPを利用するＺスキーム水分解の実現を行う。これまでに開発してきたペロブスカイト型酸窒化物を足がかりに研究をスタートさせる。加えて，より高機能なOEP開発も手がける。
　
研究代表者 八井 崇 豊橋技術科学大学・電気・電子情報工学系・教授
研究協力者 出羽 毅久 名古屋工業大学・大学院工学研究科・教授
根岸 雄一 東京理科大学・理学部・教授
森本 樹 東京工科大学・工学部・准教授
飯田 健二 北海道大学・触媒科学研究所・准教授
天然光合成材料に学ぶ光学禁制遷移を介した近赤外光励起高効率二酸化炭素還元の実証
提案者は、近接場光の空間的に非一様な光の場の特長を活かすことで、従前の光 応答では不可能であった新奇かつ有用な光励起が可能であることを実証してき た。本研究では、この非一様光場によるSHGを利用することで、近赤外光誘起に よる高効率CO2還元を実証する。非一様光場の励起源には、天然光合成材料であ る光捕集複合体を利用する。近赤外光によって励起される光捕集複合体、近接場 光と同じく双極子放射場を形成する。このため、光励起によって、空間的に非一 様な電場が生じる。この非一様光場によるSH光の発生と同時に、SH光の取り出し 効率を最適化するナノフォトニック集光体によって高いCO2還元効率が得られ る。天然光合成材料と人工光合成材料を近接場光によって融合し、近赤外光誘起 のCO2還元を実証することが本研究の目的である。
　
研究代表者 寺尾 潤 東京大学・大学院総合文化研究科・教授
研究協力者 正井 宏 東京大学・大学院総合文化研究科・特任研究員
橘 泰宏 ロイヤルメルボルン工科大学・教授
ロタキサン構造による高効率電子伝達系の擾乱抑制手法の確立
本研究では光 - 物質変換系において，光捕集系と反応系を分子レベルで繋ぐ電子伝達系に着目し，熱や外部因子による擾乱を抑制することで，夾雑環境下や様々な温度領域においても高効率で稼働する電子伝達系分子の創製を目的とする。従来，分子内運動は励起電子を熱的に失活させるが，この分子内熱運動の抑制は困難であり，室温で動作する系において熱擾乱は伝達効率低下の普遍的な原因とされてきた。そこで本研究では自然界を模倣し，超分子構造が分子の内部・周囲環境を制御することでこの問題の解決を図る。具体的には，電子伝達系となる共役主鎖を環状分子で三次元的に被覆し，ロタキサン骨格を構築する。次に，分子内・分子間の擾乱に基づく励起子の失活を被覆により抑制する効果を定量的に評価し，夾雑環境下，高効率に駆動する光 - 物質変換系を構築する。
　
研究代表者 滝沢 進也 東京大学・大学院総合文化研究科・助教
研究協力者 村田 滋 東京大学・大学院総合文化研究科・教授
人工脂質二分子膜を活用した水の光分解システムの構築
人工光合成系の開発には様々なアプローチがあるが、高度に組織化された天然光合成系の本質を理解し、それを人工的な分子システムとして出来るだけ忠実にモデル化しようとする研究に限ってみると、挑戦的な課題であるが故にほとんど進展していない。さらに今後の研究では、新しい光増感剤や分子触媒の開発に加えて、反応場や分子配置が反応効率にどのように影響するのかを解明することが重要となる。本研究では、両親媒性分子が水中に形成する球状脂質二分子膜（ベシクル）をチラコイド膜にみたて、その人工膜を横断する電子輸送反応を可視光で高効率に駆動させる。さらに水の還元および酸化触媒系と連結し、最終的には完全な分子システムによる水の光分解に挑む。特に、多様な金属錯体の機能とベシクル膜内におけるそれらの位置や濃度を巧みに制御することで目的達成を目指す。
　
研究代表者 大津 英揮 富山大学・学術研究部理学系・准教授
有機ヒドリド供給能を有するユビキタス金属錯体の開発とCO2光還元システムへの展開
化石エネルギーの消費のみで支えられた現代社会を持続性有する社会へと変革するためには、唯一無二の持続可能なエネルギー源である太陽光エネルギーの固定・貯蔵・変換・有効利用に関わる科学・技術の開発に大きな期待がかけられています。本研究では、生体内における補酵素NAD（Nicotinamide Adenine Dinucleotide）のレドックス機能に倣ったユビキタス金属元素であるZnを有する新しい有機ヒドリドZn錯体の開発を行い、地球上に多量に存在するアルコールや水を電子源として光エネルギーを化学的に（有機ヒドリド源として）貯蔵し、このZn錯体内に貯蔵された有機ヒドリドによる光駆動型CO2還元反応系の創成へと研究を展開していきます。
　
研究代表者 白石 康浩 大阪大学・太陽エネルギー化学研究センター・准教授
人工光合成型過酸化水素製造を革新する樹脂半導体光触媒
絶縁体として知られるレゾルシノール－ホルムアルデヒド（RF）樹脂を高温 水熱合成することにより、半導体光触媒となることを見出している。本研究で は、RF樹脂を基盤とする光触媒設計により、水と分子状酸素から過酸化水素を製 造する高効率人工光合成プロセスを開発する。RF樹脂光触媒の高密度化、導電性 の向上、ならびに分子状酸素の二電子還元選択性の向上を図る。これらのRF樹脂 触媒の機能開拓と機能集積による高活性化を通して、メタルフリー粉末光触媒に よる人工光合成実現に向けた礎を築く。
　
研究代表者 片岡 祐介 島根大学・総合理工学部・助教
研究協力者 矢野 なつみ 島根大学・総合理工学部・助教
北河 康隆 大阪大学・基礎工学部・准教授
超分子ロジウム二核錯体／半導体からなるハイブリッド触媒系の構築と光水素発生反応
本研究では, 申請者等がこれまでに開発してきた「光水素発生機能を有するパドルホイール型ロジウム二核錯体」を「酸化物半導体表面」に結合させた「ハイブリッド触媒系」を開発し、高効率な光水素発生の実現を目指す。また、量子化学計算を使用することで、酸化物半導体上でのロジウム二核錯体の安定構造と反応機構を詳細に調査し、高効率に光水素発生を行うハイブリッド触媒系の設計指針を確立することを目指す。
　
研究代表者 高口 豊 富山大学・学術研究部・都市デザイン学系・教授
研究協力者 田嶋 智之 岡山大学・大学院環境生命科学研究科・講師
ＰＳⅡとカーボンナノチューブが協働する天然／人工融合二段階光励起型水分解反応系
半導体性単層カーボンナノチューブの物理修飾を利用し、水分散性の付与や電子移動反応界面構造の制御をおこなうことで、水素発生光触媒能を有するカーボンナノチューブ光触媒を調製することができます。本提案では、天然光合成と人工光合成とを組み合わせた半人工光合成系の構築を目指し、光化学系II（PSII）とカーボンナノチューブ光触媒とを組み合わせた二段階光励起系を用いた水完全分解を可能とし、カーボンナノチューブ光触媒の電子移動反応界面の構造と光触媒反応効率の相関について詳しく調べることで、ナノメートルスケールの半人工光合成装置の設計指針を明らかとします。
　
研究代表者 犬丸 啓 広島大学・大学院工学研究科・教授
金属間化合物の電子構造制御による人工光合成用助触媒の設計
半導体光触媒を用いた人工光合成反応において、助触媒は反応の活性選択性を大きく支配するため、その機能設計は重要である。従来、貴金属、遷移金属の単体やその単純な酸化物、合金の微粒子が助触媒としてよく研究されてきた。本研究では、金属間化合物を用いた光触媒用助触媒の特性とその支配因子を追求する。特に、助触媒の電子構造制御が助触媒の役割をどのように変えるかを明らかにすることに注力する。水分解反応における助触媒としての特性について、ホウ化物、ケイ素化合物などを念頭に、助触媒の電子構造とその役割を対応づける。領域内の研究者と共同し種々の半導体光触媒系との組み合わせを検討し、その特性を明らかにする。さらに、天然光合成の知見に基づき無機化合物助触媒の理解を進めその探索を展開する。
　
研究代表者 田部 博康 京都大学・高等研究院物質－細胞統合システム拠点・特定講師
研究協力者 東 正信 大阪市立大学・人工光合成研究センター・特任准教授
表面近傍構造を精密設計した配位高分子―半導体光触媒複合体による可視光応答型水分解
半導体光触媒と分子性化合物の相補的性質を組み合わせることで、太陽光に豊富に含まれる可視光を利用して水を分解する「複合型水分解触媒系」の構築が可能になる。しかし、触媒系中における分子性化合物の構造制御や耐久性に課題が残されていた。本研究では、金属錯体からなる固体材料である配位高分子に着目し、表面近傍部位の組成や欠陥構造を精密設計することで、助触媒や電子伝達部位となる機能性配位高分子を設計する。続いて、配位高分子表面にリンカー分子を導入することで半導体光触媒上に固定し（配位高分子－半導体光触媒複合体）、可視光応答型水分解に重要な種々の反応の高活性化を図る。また、光化学、分析化学、計算化学などの専門家との領域内共同研究を通じ、触媒活性や耐久性の合理的向上を目指す。
　
研究代表者 天尾 豊 大阪市立大学・人工光合成研究センター・教授
研究協力者 山田 裕介 大阪市立大学・大学院工学研究科・教授
二酸化炭素をメタノールに光還元する光触媒・生体触媒複合系の創製
水を電子源とした二酸化炭素の可視光還元反応は一酸化炭素・ギ酸が生成物であり，多電子還元に基づくメタノールやメタンを生成させた研究例は少なく，また明確な反応メカニズムで証明される可視光エネルギーを利用した二酸化炭素からメタノールやメタン生成系は皆無である．本提案では，半導体光触媒電極を光アノード，炭素ファイバー電極をカソードとした光電気化学セルを用い，ギ酸・ホルムアルデヒド・アルコール脱水素酵素それぞれに対して最も有効に作用するビオローゲンを基盤とした電子メディエータの光還元を介した水を電子源とした二酸化炭素-メタノール変換系を構築することを目的とする．
　
研究代表者 伊藤 亮孝 高知工科大学・環境理工学群・講師
微小空間への取り込みを利用する高効率光反応系の構築
本研究では、様々なイオン種をその内部に取り込むことができる微小球「ナノイオンキャリア」を利用し、高効率な光誘起反応システムを構築する。また、共担持する光吸収物質と消光剤の種類および量を網羅的かつ系統的に制御し、種々の分光測定によりキャリア内部における光誘起反応挙動の由来を明らかにする。さらに得られた高効率な光誘起反応系を光－物質変換反応へと適用し、高効率光反応システムへの展開を目指す。
　
研究代表者 中田 明伸 中央大学・理工学部・助教
研究協力者 張 浩徹 中央大学・理工学部・教授
相間移動型電子伝達に基づくＺ－スキーム光触媒システムの創成
本研究では、有用生成物を得る還元反応と水の酸化反応を液－液界面で分離した異なる溶媒相で進行させることで、これまでにない反応場分離型光触媒システムの構築し、水を電子源とした人工光合成反応の飛躍的な高効率化を目的とする。具体的には、電子移動と連動して相分離した溶媒間を移動する電子伝達体を開発することで従来の単一溶液系における重大な問題であるそれぞれの光触媒への逆電子移動の大幅な抑制を目指す。電気化学や光励起と組み合わせた分光分析により電子移動誘起相間移動を評価し、最適な反応場分離型Z-スキーム光触媒システムを構築する。
　
研究代表者 根岸 雄一 東京理科大学・理学部・教授
研究協力者 川脇 徳久 東京理科大学・理学部・助教
高活性結晶面への選択的な助触媒担持による高活性可視光応答水分解光触媒の創製
金属クラスター研究者が，助触媒サイドから水分解光触媒高活性化へのキーファクターを明らかにし，それにより，実際に高活性な可視光応答型水分解光触媒を創出することで，本領域の目指す革新的光—物質変換系の創製に対して貢献する。具体的には，可視光応答型水分解光触媒について，助触媒クラスターを厳密に担持する方法を確立するとともに，得られた光触媒に対する研究により，可視光応答型水分解光触媒における助触媒クラスターの化学組成及び電子/幾何構造と水分解活性の相関を明らかにする。得られた知見を基に，高活性化に適した金属クラスターを新たに設計・合成し，それらを助触媒として活用する。こうしたサイクルを繰り返すことにより，可視光応答型水分解光触媒を高活性化する上での明確な設計指針を確立すると共に，実際に，高活性な可視光応答型水分解光触媒を創出する。
　
研究代表者 和田 亨 立教大学・理学部・教授
研究協力者 中薗 孝志 立教大学・理学部・助教
天然の光合成の仕組みを模倣したルテニウム酸素発生触媒の開発
天然の光合成では、酸素発生中心であるマンガンクラスターに水分子を介して 水素結合しているチロシン残基のフェノールが、電子とプロトンの移動に重要な 働きをしている。本研究では、光合成酸素発生中心のPCET機能を模倣した人工的 な酸素発生触媒を開発する。水の酸化反応の触媒活性部位であるルテニウムに直 接結合していないフェノール部位の酸化還元が、触媒活性に与える影響を明らか にするとともに、高活性な光酸素発生触媒系の構築を目指す。
　
研究代表者 浅井 智広 立命館大学・生命科学部・講師
緑色硫黄細菌の光合成水素生産系を利用したメタン生成法の開発
持続的な低炭素社会を実現するためには、光合成による高効率でクリーンな二酸化炭素還元システムの構築が望まれる。水素生産系には光合成生物のバイオエンジニアリングによる生物学的なシステムの成功例がある一方、二酸化炭素の還元による燃料としての炭素化合物の蓄積には未だ成功例がない。本研究課題は、独自に構築した緑色硫黄細菌の絶対嫌気性の光合成水素生産系と、異化的な二酸化炭素還元によって独立栄養的にメタンを発生するメタン菌を融合することで、全く新しい生物学的な人工光合成系である光合成メタン生成系の構築を目指す。メタン菌は異化代謝に水素を要求し、環境中では水素生成菌と共存している。そこで、緑色硫黄細菌とメタン生成菌の堅牢で協調的な共培養系を確立することで、緑色硫黄細菌による光合成水素生産とメタン菌によるメタン生成を結びつける。
　
研究代表者 池田 茂 甲南大学・理工学部・教授
電子構造を制御した薄片状半導体を組み込んだ人工光合成系の設計と検証
化合物半導体多結晶および単結晶インゴット作製を活用して、p型・n型半導体特性と電子エネルギー構造を制御した薄片状半導体を合成し、さらにこれらを領域内で開発される無機、有機、錯体、および生体触媒などの助触媒と組み合わせて、水分解反応の高効率化と水を電子源として利用した太陽光による二酸化炭素の還元反応を実証する。また、薄片状半導体が表裏両面を修飾利用できることを活かして、片面で還元反応、もう一方の面で酸化反応が進行するシート型光触媒の開発を行う。水分解反応においては、活性低下のボトルネックである酸素発生光電極の高機能化として、カルコゲナイド系のn型半導体を利用した反応系の構築を目指す。二酸化炭素の還元においては、生体触媒との組合せのほか柔軟な錯体、高分子などの有機系材料との複合化を積極的に行うことで、その実現を目指す。
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