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光を用いて環境問題に
アプローチ
福井工業大学 大学院
工学研究科 応用理化学専攻
原 道寛
准教授
光化学を輪を広げる地域貢献活動。
研究室＆各種活動
多光子
イオン化
マルチ
パルス光化学
有機デバイス関連
• 有機EL
• 色素増感太陽電池
• 有機太陽電池(乾式)
活動
• 光化学
• 共同研究
• 担任
研究
地域
貢献
学生
指導
授業
• FUT科学実
験キャラバ
ン隊
• 出張デモ実
験など
• 大学院
• 学部
地域貢献活動
地域貢献活動
HIKARIの世界：小ネタ集
• マジックペン・フォトクロペン・偏光板・回折格子
ナノ蛍光材料を用いた実験
• 混ぜて白色香を作ろう（色や光の三原色）
色素増感太陽電池
• －プロペラの回転数バトルー
FUT科学実験キャラバン隊
• どんぶりを浮かせたり・液体窒素で凍らせたり
ダイラタンシー
• 液体の上を歩こう
世界で一つだけのとんぼ玉
• ガラス細工体験ー
研究室のテーマ
光化学を用いて環境問題に挑む。
多光子イオン化
• 水溶液中での工業用分子の無害化をめざす。
マルチパルス光化学
• レーザー光の波長および空間的操作による反応制御をめざす
有機EL素子
（共同研究中：城田靖彦教授）
• 環境にやさしい変換効率の実現とともに、
新しいアイディアデバイスの創製をめざす
有機太陽電池
（共同研究中：城田靖彦教授）
• フレキシブル太陽電池ならびに乾式有機太陽電池の創製をめざす
いままでの研究（TPI）
芳香族炭化水素の高強度レーザーによる二光子イオン化
Sn
R
Sｔ+ + e-
IP
hν308
hν308
R'
S1
hν308
S0
CT
Hara et al. J. Am. Chem. Soc.; 2004; 126(43) pp 14217-14223.
J. Phys Chem. B. 2005; 109（2）pp 973-976.J. Org. Chem. 2005; 70（11) pp 4370-4374.
いままでの研究
シクロデキストリン中の芳香族炭化水素の二光子イオン化
Py + Py・+
1.4 μ s
・+
・+
,
FO
β CD
γ CD
+
PO ＝58.1μ s
FO
2hν
 1/2＝39.8 μ s
・+
・+
1.8 μ s
・+
Py + Py
β CD
PO
・+
+
eaq- ＞500 μ s
FO
Hara et al. Phys. Chem. Chem. Phys.2004 (6) pp3215-322
シクロデキストリンとは
親水性
疎水性
α体： 0.45–0.6 nm
β体： 0.6–0.8 nm
γ体： 0.8–0.95 nm
http://life.belmo.com/item/4902430111201.html
N-Phenyl
1
Glycineの H-NMR測定
NPGがCDに包接される様子を観測
H数：2個
NPGのH数：9個
H数：2個
O
C
H
H数：3個
H
H
C
O
H
N
H
H
H
H
7
6
NPG in D2O
5
4 ppm
の１H-NMR測定結果
：7.0 ppm(m-,p-位)
：7.3 ppm(o-位)
：4.0 ppm メチレン基
：観測不能
H
βCD(7.0Å)
αCD(4.5Å)
γCD(8.5Å)
5 mM
5 mM
5 mM
6.5 mM
10 mM
15 mM
7.2
15 mM
30 mM
8.5 mM
50 mM
10 mM
25 mM
6.8
ppm
7.0
7.4
NPG(2 mM) in D2O with CDの1H-NMR測定
7.4
NPG(2 mM)in D2O with CDの1H－NMR測定
7.2
7.1
7.15
7.10
7.05
20
30
CD mM
40
50
7.15
7.10
7.05
7.00
6.95
10
(o-位)
(m-p-位)
7.20
(o-位)
(m-p-位）
7.00
7.0
6.8
ppm
7.25
7.20
（o-位）
（m-p-位）
7.0
7.30
7.25
7.3
7.2
NPG(2 mM) in D2O with CDの1H-NMR測定
7.30
7.4
6.9
0
6.8
ppm
7.0
7.2
50 mM
ppm
7.4
10 mM
7.5 mM
ppm
ppm
D2O中のNPG(1 mM)の各CD添加時の1H-NMR測定
5
6
7
8
CD mM
9
10
6.95
0
10
20
30
CD mM
40
50
NPGと各CDによる包接錯体
α-CD 4.5 Å
β-CD 7.0 Å
（m-、p-位）のみ
化学シフト変化
γ-CD 8.5 Å
（m-p位）＝（o-位）
（m-p位）＞（o-位）
化学シフトの変化
化学シフトの変化
O
O
O
H
H
H
H
NPG
α-CD
ベンゼン環の
一部
H
N
H
H
H
H
α-CD
O
H
N
O
H
β-CD
NPG
β-CD
ベンゼン環の
全体
γ-CD
O
H
N
H
H
H
H
H
H
O
O
N
H
H
NPG
γ-CD
ベンゼン環の
全体または２個分
各CD添加時におけるイオン化量子収率（ Φion ）
Φion
Add.
[CD]
(mM)
(％)
non
―
0.99
αCD
5
50
0.69
0.73
βCD
5
10
0.65
0.66
γCD
5
50
0.82
0.45
溶媒和安定化エネルギー
の影響で一番大きくなる。
NPGの二量体とγ-CDの錯体
目指すもの。
大量使用
計時変化
いままでの研究（マルチパルス）
化学反応をレーザー光により制御
Time-resolved
absorption
spectroscopy
Time-resolved
emission
spectroscopy
Probe
light
Laser 2
Laser 1
Laser 3
マルチレーザー化学を用いた過渡吸収・過渡発光法
Hara et al. “Three-step Three-color Three-Laser Photochemistry of Dianisylmethly Chloride”
J. Phys. Chem. A. 2003; 107(24) pp4778-4783
いままでの研究
芳香族炭化水素の2色2レーザーにエネルギー移動および電子移動
O
Tn
kET
Sn
S1
IC
hν355
ISC
hν532
R
R'
T1
S1
T1
kdiff.
ISC
hνf
R'
ISC
S0
S0
M
Q
M Hara et al. J.Am. Chem.. Soc. 126巻（24号）、7432-7433、2004年
266-nmLFP
0.2
Sn
O.D.720 nm
266
532
7.6 eV
DPDS・+ + e-aq
266 nm
0.1
S1 [3.3 eV]
φion = 7.9%
266 nm
4.7 eV
0.0
0
S
IP
1
2
Time(s)
3
1色TPI
*266-nm
266-nm
S
S
hν
S
hν
S0
DPDS・ + +
e - aq
266-nm+532-nm LFP
O.D.720 nm
0.2
266 + 532
266
532
φion = 7.9%
2.0 eV
足りないため
イオン化なし
S1 [3.3 eV]
266 nm
4.7 eV
0.0
0
S
IP
7.6 eV
532-nm
2.5 eV
φion = 19.2%
0.1
Sn
1
2
Time(s)
266-nm
S
hν
(
3
2色TPI
S・ )
2
532-nm
hν
Neutraliza tion
J.Phys.Chem.1989,93,1394
S0
S+
+
e - aq
• DPDSは、1色TPIと共に太陽光領域の532 nmを含む2色TPIを用いるこ
とで、耐候性を克服できる一つの方法を示した。
DPDS・+ + e-aq
1TPI
S
Neutralization
DPDS**
266-nm
*
266-nm
S
S
S
S-S結合
解離
2TPI
S+
+
e-aq
(
S・ )
2
532-nm
S・ *
マルチパルス光化学の
目指すもの。
A
B*
hν’
B
A*
hν
C
hνf
A
B
P2
P1
A；基質分子
B、C；中間体分子
P1、P2；生成物
基質分子と中間体分子の励起状態のエネルギーダイヤグラム
限定された空間内にある物質のみを波長選択的に光分解できる可能性を検討。
有機EL素子
26万色QVGA有機
EL搭載
携帯電話
MEDIASKIN / au
アクティブマトリックス式有機EL
携帯オーディオ Clix 2 / iriver
11インチ有機ELTV
XEL-1 / sony
(27インチ試作機発表)
フルカラー有機EL
ディスプレイ搭載カーAV
Carrozzeria DEH-P810X /
Pioneer
有機ELペンダント照明 試作品 コイズミ照明
h10 × w1050 × d250 ワイヤー長2000～100
有機ELペンダント
照明 試作品
NECライティング
h18 × w582 × d582
有機ELペンダント照明 試作品
松下電工 h26 × w213 × d139
有機エレクトロニクス研究所 HP： http://www.organic-electronics.jp/
有機EL照明パネル
放熱材
封止材
伝熱剤
金属電極[-]
電子注入層・輸送層
有機EL
素子層
発光層
正孔輸送層
正孔注入層
透明電極（ITO）[+]
ガラス基盤
光学フィルム
有機EL素子の特徴
薄い
• 有機層：約100 nm （0.1 m, 10-9 mm）
面発光
• 蒸着やスピンコートさせることで、広範囲な面発光が可能
明るい
• 発光効率＝発熱電球・理論限界は蛍光灯の2倍以上
曲がる
• 曲がる材料に蒸着させることで自由に曲がる
多彩な発光色
• 有機発光材料の組み合わせにより自由に。
低消費電力
• 駆動電圧は3-4 V.実用化が進めば省エネルギーに貢献。
23
単層型有機EL素子
電子
輸送
陽極
(ITO)
発光
電子
注入
発光層
M
M*
M
再結合
陰極
(Al, Mg)
正孔
注入
正孔
輸送
多層型有機EL素子
電子輸送層
の導入
陽極
(ITO)
正孔
輸送層
発光層の導
入（エキサイ
プレックス）
高度化
発光層
再結合
陰極
(Al, Mg)
正孔
注入
有機EL素子の
電子
注入
M
M*
M
発光
正孔輸送
層の導入
電子
輸送
正孔
輸送
有機EL素子材料
発光材料
電子輸送材料
Alq3
正孔輸送
材料
m-MTDATA
TPD
Al(150 nm)
LiF(0.1nm)
有機EL素子構造
Alq3(50 nm)
m-MTDATA(45 nm)
ITO-coated glass
LiF(0.1nm)
LiF(0.1nm)
Al(150 nm)
m-MTDATA
+Alq3(10 nm)
Alq3(50 nm)
TPD(50 nm)
ITO-coated glass
Al(150 nm)
Alq3(45 nm)
m-MTDATA(45 nm)
ITO-coated glass
有機EL素子の発光
10.0 V
Device I
5 V
7 V
Device III
14 V
28
有機EL素子＆有機太陽電池
今後の学生諸君へ
• 何事も楽しむこと。
– 自分のデータに自信をもつこと
– 先生から言われたことでも疑ってかかること。
• 根拠を示してね。
• でもとりあえず、プラス思考でやってみること。