Excited-State Interaction at the Interface of Semiconductor and Adsorbed Metal Complex

半导体与吸附金属络合物界面处的激发态相互作用

• 批准号: 21K18932
• 负责人: 今堀 博
• 金额: $ 4.08万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18932/
• 关键词: 光電荷分離; 酸化チタン; 貴金属; 界面; エネルギー変換

太陽電池や光触媒において高いエネルギー変換効率を実現するためには高い光電荷分離効率が必須である。貴金属ナノ微粒子を用いたプラズモンエネルギー変換はそのための有望な手法の一つではあるが、増強効果に限界がある。そこで本研究では、貴金属元素を含む色素と半導体との異種融合界面での光電荷分離に着目する。申請者はごく最近金原子を含む色素分子が複数のカルボキシ基を介して酸化チタン表面に固定化され 、金原子と酸化チタンの直接相互作用を通して超高速の電荷分離が起こることを見出している。この１原子レベルの直接相互作用に基づく超高速電荷分離のメカニズムを明らかにし、高効率なエネルギー変換への展開を目指す。筆者はコロールのメソ位アリール置換基上のメタ位にCOOH基を導入した金コロール(Au-B)と、対応するパラ位にCOOH基を導入した金コロール(Au-A)、Re, Osコロール(Re-B, Os-B)を合成した。それらの色素をTiO2電極上に吸着させ、色素増感太陽電池として評価すると、Au-Bが大幅にエネルギー変換効率を向上させることを見出した。時間分解過渡吸収測定の結果、Au-Bでは、金原子による速い系間交差(1 ps)にもかかわらず、励起一重項状態からTiO2への超高速電子注入(<100 fs)が起こり、効率よく電荷分離状態が生成することがわかった。一方、X 線光電子分光(XPS)測定により、金原子とTiO2との直接の相互作用が示唆された。また、金属の異なる一連の金属コロールの光ダイナミクスを豊田工業大学の山方、ノルウェー北極大学のAbhik Ghoshと共同で検討した。金属、置換基によって、光ダイナミクスが大きく変化することを見出した。さらにAu-Bにドナー部位を導入した色素を合成した。

高光电分离效率对于实现太阳能电池和光催化剂的高能量转化效率至关重要。使用贵金属纳米颗粒的等离子能量转化是为此目的的有前途的方法之一，但其增强效果受到限制。因此，在这项研究中，我们专注于包含贵金属元件和半导体的染料之间不同融合界面的摄影分离。申请人最近发现，含金原子的染料分子已通过多个羧基固定在氧化钛表面上，从而通过金原子与氧化钛之间的直接相互作用而导致超快速电荷分离。我们旨在根据一种原子水平的这种直接相互作用来阐明超快速电荷分离的机制，并将其发展为高效的能量转化率。作者合成了金胆洛罗（AU-B），其中在中腔的中置上引入了COOH基团的corol的中置芳基，以及在相应的PARA位置和Oscorol（RE-B，OS-B）的相应Para位置引入COOH组的Gold Cholorol（Au-A）。当这些染料被吸附在TiO2电极上并评估为染料敏化的太阳能电池时，发现AU-B可显着提高能量转化效率。时间分辨的瞬态吸收测量值表明，在Au-B中，超快电子注射（<100 fs）是从激发的单线态到TIO2的发生，尽管由于金原子的快速交叉（1 ps），并且电荷分离状态在Au-B中有效产生。另一方面，X射线光电子光谱（XPS）测量表明金原子与TIO2之间存在直接相互作用。我们还研究了一系列具有不同金属的金属合唱的光动力学，并与丰田技术学院的Yamakata和挪威北极大学的Abhik Ghosh合作。已经发现，光动力学可以根据金属和取代基的方式发生巨大变化。此外，合成了将供体部位引入AU-B的染料。

项目成果

ノルウェー北極大学(ノルウェー)

挪威北极大学（挪威）