太陽光レベルの弱い光で可視光を紫外光に変える固体材料を実現 ー光触媒による環境浄化や水素発生の高効率化に期待ー

2026-06-23 九州大学

九州大学と分子科学研究所の研究グループは、太陽光レベルの弱い可視光を高エネルギーの紫外光へ変換できる高効率な固体フォトン・アップコンバージョン(UC)材料を開発した。紫外光は環境浄化や水素製造に利用される光触媒反応に不可欠だが、太陽光中の紫外光は少ないため、その有効利用が課題となっていた。研究では、三重項-三重項消滅(TTA)機構を利用し、発光分子のsp³炭素を起点として分子骨格の垂直方向にアルキル鎖を導入する新たな分子設計を考案した。その結果、固体状態で課題だった高発光性と高速な三重項エネルギー移動を両立し、可視光から紫外光への変換効率1.9%(理論上限50%基準で高水準)を達成した。さらに、地上に到達する太陽光程度の弱い光強度でも安定してアップコンバージョンが起こることを確認した。本成果は、固体UC材料の新たな設計指針を示すものであり、光触媒による環境浄化、水素発生、太陽エネルギー利用技術の高効率化に貢献すると期待される。

太陽光レベルの弱い光で可視光を紫外光に変える固体材料を実現 ー光触媒による環境浄化や水素発生の高効率化に期待ー
固体結晶中での高速な三重項拡散と発光性を両立したフォトン・アップコンバージョン材料

<関連情報>

立体的に保護されたπ電子系による効率的な固体光子アップコンバージョン Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion

Naoyuki Harada,Hayato Shoyama,Nutnicha Boonmong,Kiichi Mizukami,Yuya Watanabe,Pei Zhao,Masahiro Ehara,Yoichi Sasaki & Nobuo Kimizuka
Nature  Published:23 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0

Abstract

A solid-state visible-to-ultraviolet triplet–triplet annihilation-based photon upconversion system driven by low-intensity light at sunlight levels is developed. Realizing such a solid-state photon upconversion system has been challenging because it is difficult to achieve high fluorescence quantum yield and fast triplet exciton diffusion simultaneously, which requires methodologies to precisely control interactions among chromophores and suppress quenching of both singlet and triplet excited states. Here, we report that a group of dihydroindeno[2,1-a]indene derivatives functionalized with alkyl chains above and below the π-plane satisfies all these requirements. Among three derivatives investigated, we identify the optimal emitter structure that exhibits the highest photon upconversion quantum yield in both solution and crystalline states. The solid-state system is less affected by crystalline defects, exhibiting high photoluminescence quantum yield, long triplet lifetime, and fast triplet diffusion, with an absolute photon upconversion quantum yield of 1.9% and a low threshold excitation intensity of 1.2 mW cm−2.

0502有機化学製品
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