JP5424594B2 - Reaction cell for organic photoresponsive element - Google Patents
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Description
本発明は、p型有機半導体とn型有機半導体とを含む有機光応答素子を用いた、二室型の有機光応答素子用反応セルに関する。 The present invention relates to a reaction chamber for a two-chamber type organic photoresponsive device using an organic photoresponsive device including a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor.
光を用いて水分子を水素と酸素に分解することは、潜在的な太陽エネルギーの変換や貯蔵システムとして大いに注目されてきており、中でも、可視光照射下で水を分解することができる光触媒の開発は、近年大きな話題となっている。 Decomposing water molecules into hydrogen and oxygen using light has attracted much attention as a potential solar energy conversion and storage system. Among them, photocatalysts that can decompose water under visible light irradiation. Development has become a big topic in recent years.
そして、二酸化炭素の発生を伴わずに水素発生を行うことは、炭素循環に代わる水素循環型エネルギー社会を構築するうえでも必需な技術である。 Further, generating hydrogen without generating carbon dioxide is a necessary technology for building a hydrogen-circulating energy society that can replace the carbon cycle.
通常の水の電気分解では、その駆動力である電気は大量の二酸化炭素を排出しながら発電されるものであり、エネルギー効率、環境破壊、地球温暖化等の観点からも問題を有している。 In normal water electrolysis, electricity, which is the driving force, is generated while discharging a large amount of carbon dioxide, which has problems from the viewpoint of energy efficiency, environmental destruction, global warming, etc. .
これらの問題点を解消するため、自然エネルギー(例えば、光エネルギー)を積極的に利用する試みがなされてきている。例えば、非特許文献1には、光エネルギーを用いた無機半導体光触媒による水の分解反応が報告されている。しかし、該光触媒は、紫外光或いは近紫外域の可視光を利用できる酸化チタン、その複合物、酸化タングステンなどの数種類にすぎなかった(非特許文献2等)。 In order to solve these problems, attempts have been made to actively use natural energy (for example, light energy). For example, Non-Patent Document 1 reports a water decomposition reaction by an inorganic semiconductor photocatalyst using light energy. However, the photocatalyst is only a few types such as titanium oxide, a composite thereof, and tungsten oxide that can use ultraviolet light or visible light in the near ultraviolet region (Non-patent Document 2).
このような状況下、本発明者らは、可視光領域の全域に渡る光を利用できる光触媒として、p型有機半導体とn型有機半導体とを含む有機光触媒を開発し、この有機光触媒を用い、光を照射しながら電圧を印加する水の電気分解方法を提案した(特許文献1参照)。
本発明は、前記有機光触媒の新しい利用法を提供することを目的とする。さらに、この新しい利用法を用いて、外部から電圧を印加することなく光照射だけで有機物を分解する方法、及び水を分解して水素又は酸素を発生させる方法を提供することも目的とする。 An object of the present invention is to provide a new method for using the organic photocatalyst. Furthermore, another object of the present invention is to provide a method for decomposing organic matter only by light irradiation without applying an external voltage and a method for decomposing water to generate hydrogen or oxygen.
本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意研究を行った結果、電極基板上に特定のp型有機半導体と特定のn型有機半導体からなる有機光触媒を被覆させた有機光応答素子を2つの反応セルに入れて、両方の有機光応答素子を導線で連結し、光を照射すると、一方の反応セルで光触媒的な酸化反応が、他方の反応セルで光触媒的な還元反応が起こることを見出した。また、この反応セルを用いれば、外部から電圧を印加しなくても有機物又は水を分解することができることも見出した。本発明者は、これらの知見に基づき、さらに発展させて本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have made an organic photoresponsive element in which an organic photocatalyst comprising a specific p-type organic semiconductor and a specific n-type organic semiconductor is coated on an electrode substrate. Is put into two reaction cells, and both organic photoresponsive elements are connected by a conductive wire and irradiated with light, a photocatalytic oxidation reaction occurs in one reaction cell, and a photocatalytic reduction reaction occurs in the other reaction cell. I found out. It has also been found that if this reaction cell is used, the organic matter or water can be decomposed without applying a voltage from the outside. Based on these findings, the present inventor has further developed and completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下の有機光応答素子用反応セル等を提供する。 That is, the present invention provides the following reaction cell for organic photoresponsive elements.
項1.第1室と第2室とからなる二室の反応セルを有する有機光応答素子用反応セルであって、第1室は、第1の有機光応答素子が、電子供与剤を含む電解質溶液に浸漬されてなるものであって、該第1の有機光応答素子は、電極基材の表面に、n型有機半導体からなる第1層及びp型有機半導体からなる第2層が被覆されてなり、第2室は、第2の有機光応答素子又は金属電極が、電子受容剤を含む電解質溶液に浸漬されてなるものであって、該第2の有機光応答素子は、電極基材の表面に、p型有機半導体からなる第1層及びn型有機半導体からなる第2層が被覆されてなり、該第2層の上にさらに遷移金属触媒が担持されていてもよく、第1室と第2室とは、第1の有機光応答素子の電極基材と第2の有機光応答素子の電極基材又は金属電極とが導線により反応セルの外部で連結されるとともに反応セル同士が塩橋によって連結されている反応セル。 Item 1. A reaction cell for an organic photoresponsive element having a two-chamber reaction cell composed of a first chamber and a second chamber, wherein the first chamber has an electrolyte solution containing an electron donor. The first organic photoresponsive element is immersed, and the surface of the electrode base material is coated with a first layer made of an n-type organic semiconductor and a second layer made of a p-type organic semiconductor. The second chamber is formed by immersing the second organic photoresponsive element or the metal electrode in an electrolyte solution containing an electron acceptor, and the second organic photoresponsive element is formed on the surface of the electrode substrate. Further, a first layer made of a p-type organic semiconductor and a second layer made of an n-type organic semiconductor may be coated, and a transition metal catalyst may be further supported on the second layer. The second chamber is an electrode base material of the first organic light responsive element and an electrode base material or metal electrode of the second organic light responsive element. The reaction cell reaction cell each other are connected by a salt bridge with but is connected outside of the reaction cell by a conductive wire.
項2.前記第1室の電子供与剤が、水、水酸化物イオン、有機物、フェロシアン化物イオン及び鉄(II)イオンからなる群から選択される少なくとも1種である項1に記載の反応セル。
項3.前記第1室の電子供与剤が、有機物である項2に記載の反応セル。
項4.前記有機物が、有機チオール、カルボン酸、アルデヒド及び有機アミンからなる群から選択される少なくとも1種である項3に記載の反応セル。
Item 4. Item 4. The reaction cell according to
項5.前記第2室の電子受容剤が、水、水素イオン、フェリシアン化物イオン、鉄(III)イオン、ペルオキソ二硫酸イオン及び酸素からなる群から選択される少なくとも1種である項1〜4のいずれかに記載の反応セル。
項6.前記第1室の電子供与剤が、水、水酸化物イオン、有機チオール、カルボン酸、アルデヒド、有機アミン、フェロシアン化物イオン及び鉄(II)イオンからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記第2室が第2の有機光応答素子を備え、該第2の有機光応答素子が、電極基材の表面に、p型有機半導体からなる第1層及びn型有機半導体からなる第2層が被覆され、該第2層の上にさらに遷移金属触媒が担持されてなるものであり、電子受容剤が、水及び水素イオンからなる群から選択される少なくとも1種であり、第1室と第2室とは、第1の有機光応答素子の電極基材と第2の有機光応答素子の電極基材とが導線により反応セルの外部で連結されるとともに塩橋によって反応セル同士が連結されている項1〜5のいずれかに記載の反応セル。
項7.前記第1室の電子供与剤が、水及び水酸化物イオンからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記第2室が、金属電極を備えており、電子受容剤が、フェリシアン化物イオン、鉄(III)イオン、ペルオキソ二硫酸イオン及び酸素からなる群から選択される少なくとも1種であり、第1室と第2室とは、第1の有機光応答素子の電極基材と金属電極とが導線により反応セルの外部で連結されるとともに塩橋によって反応セル同士が連結されている項1〜5のいずれかに記載の反応セル。
項8.前記p型有機半導体が、フタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、及びポルフィリン誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種である項1〜7のいずれかに記載の反応セル。
項9.前記p型有機半導体が、フタロシアニン誘導体である項8に記載の反応セル。
項10.前記n型有機半導体が、フラーレン類、カーボンナノチューブ類、電子供与体をドープした導電性高分子、ペリレン誘導体、及びナフタレン誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種である項1〜9のいずれかに記載の反応セル。
項11.前記n型有機半導体が、フラーレン類及びペリレン誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種である項10に記載の反応セル。
項12.項3又は4に記載の反応セルにおいて、第1室及び第2室に電圧を印加することなく第1室に光を照射することを特徴とする光誘起により有機物を酸化分解する方法。
項13.項6に記載の反応セルにおいて、第1室及び第2室に電圧を印加することなく両室に光を照射することを特徴とする光誘起により水を分解して水素を発生させる方法。
項14.項7に記載の反応セルにおいて、第1室及び第2室に電圧を印加することなく第1室に光を照射することを特徴とする光誘起により水を分解して酸素を発生させる方法。
本発明の有機光応答素子用反応セルを用いれば、二室型の反応セルのそれぞれの反応室で酸化反応と還元反応とを起こすことができるので、別々の場所で光触媒反応を完結させることができる。 If the reaction cell for an organic photoresponsive element of the present invention is used, an oxidation reaction and a reduction reaction can be caused in each reaction chamber of the two-chamber type reaction cell, so that the photocatalytic reaction can be completed at different locations. it can.
本発明の有機光応答素子用反応セルに光を照射すれば、外部から電圧を印加しなくても有機物を酸化分解することができるので、光誘起による有機物の酸化分解方法を提供することができる。また、本発明の有機光応答素子用反応セルに光を照射すれば、外部から電圧を印加しなくても水を分解することができるので、光誘起の水素又は酸素発生反応を提供することができる。 By irradiating the reaction cell for an organic photoresponsive element of the present invention with light, the organic matter can be oxidatively decomposed without applying a voltage from the outside. Therefore, a method for oxidatively decomposing organic matter by light induction can be provided. . In addition, by irradiating the reaction cell for an organic light-responsive element of the present invention with light, water can be decomposed without applying a voltage from the outside, so that photoinduced hydrogen or oxygen generation reaction can be provided. it can.
以下、本発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明の有機光応答素子用反応セル(以下、単に「反応セル」という場合もある)は、第1室と第2室とからなる二室の反応セルを有しており、第1室及び第2室は以下のような構成である。 The reaction cell for an organic photoresponsive element of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “reaction cell”) has a two-chamber reaction cell composed of a first chamber and a second chamber. The second chamber has the following configuration.
(1)第1室は、第1の有機光応答素子が、電子供与剤を含む電解質溶液に浸漬されてなるものであって、該第1の有機光応答素子は、電極基材の表面に、n型有機半導体からなる第1層及びp型有機半導体からなる第2層が被覆されてなる。
(2)第2の有機光応答素子又は金属電極が、電子受容剤を含む電解質溶液に浸漬されてなるものであって、該第2の有機光応答素子は、電極基材の表面に、p型有機半導体からなる第1層及びn型有機半導体からなる第2層が被覆されてなり、該第2層の上にさらに遷移金属触媒が担持されていてもよい。
(3)第1室と第2室とは、第1の有機光応答素子の電極基材と第2の有機光応答素子の電極基材又は金属電極とが導線により反応セルの外部で連結されるとともに反応セル同士が塩橋によって連結されている。
(1) The first chamber is formed by immersing the first organic photoresponsive element in an electrolyte solution containing an electron donor, and the first organic photoresponsive element is formed on the surface of the electrode substrate. A first layer made of an n-type organic semiconductor and a second layer made of a p-type organic semiconductor are coated.
(2) The second organic photoresponsive element or metal electrode is immersed in an electrolyte solution containing an electron acceptor, and the second organic photoresponsive element is formed on the surface of the electrode base material by p. A first layer made of a type organic semiconductor and a second layer made of an n type organic semiconductor may be coated, and a transition metal catalyst may be further supported on the second layer.
(3) In the first chamber and the second chamber, the electrode base material of the first organic light responsive element and the electrode base material or metal electrode of the second organic light responsive element are connected outside the reaction cell by a conductive wire. In addition, the reaction cells are connected by a salt bridge.
このような二室型の反応セルを構成することで、第1室の第1の有機光応答素子により酸化反応が起こり、第2室で還元反応が起こる。これより、別々の場所で光触媒反応を完結させることができる新しいタイプの反応セルが提供される。 By configuring such a two-chamber reaction cell, an oxidation reaction occurs in the first chamber and a reduction reaction occurs in the second chamber. This provides a new type of reaction cell that can complete the photocatalytic reaction at different locations.
第1室に備えられる第1の有機光応答素子及び第2室に備えられる第2の有機光応答素子はともに、電極基材の表面にn型有機半導体及びp型有機半導体が被覆されている。 Both the first organic photoresponsive element provided in the first chamber and the second organic photoresponsive element provided in the second chamber are coated with an n-type organic semiconductor and a p-type organic semiconductor on the surface of the electrode substrate. .
第1の有機光応答素子及び第2の有機光応答素子に用いられる電極基材として、導電性透明ガラス基材、金属基材、炭素系基材等を挙げることができる。具体的には、例えば、インジウム−スズオキシド(ITO)等で被覆された導電性透明ガラス基材;白金等の金属基材;グラファイト、ダイヤモンド、グラッシーカーボン等の炭素系基材等が挙げられる。電極基材の抵抗値は、例えば、5〜100Ω/cm2、好ましくは8〜20Ω/cm2のものが用いられる。また、電極基材の形状は種々の形状を採用することができるが、光照射の効率を上げる電極表面の大きい平板状、基板状のものが好ましい。 Examples of the electrode substrate used in the first organic photoresponsive element and the second organic photoresponsive element include a conductive transparent glass substrate, a metal substrate, and a carbon-based substrate. Specifically, for example, a conductive transparent glass substrate coated with indium-tin oxide (ITO) or the like; a metal substrate such as platinum; a carbon-based substrate such as graphite, diamond, or glassy carbon; The resistance value of the electrode substrate is, for example, 5 to 100 Ω / cm 2 , preferably 8 to 20 Ω / cm 2 . Various shapes can be adopted as the shape of the electrode base material, but a flat plate shape or a substrate shape having a large electrode surface that increases the efficiency of light irradiation is preferable.
第1の有機光応答素子及び第2の有機光応答素子に用いられるp型有機半導体としては、大環状の配位子化合物又はその金属錯体が挙げられる。大環状の配位子化合物とは、不対電子を有する原子を環上に含む金属の配位子となり得る環状化合物の意であり、また、その金属錯体とは、該大環状配位子と金属原子からなる金属錯体の意味である。不対電子を有する原子としては、例えば、窒素原子、酸素原子が挙げられ、窒素原子が好ましい。金属原子としては、周期律表1〜15族の各金属元素が挙げられ、好ましくは4〜14族の金属元素である。また、金属錯体は、通常、該金属原子と大環状の配位子化合物とが1:1(モル比)からなり、平面4配位の錯体を形成するものであればよい。 Examples of the p-type organic semiconductor used in the first organic photoresponsive element and the second organic photoresponsive element include a macrocyclic ligand compound or a metal complex thereof. The macrocyclic ligand compound is a cyclic compound that can be a metal ligand containing an atom having an unpaired electron on the ring, and the metal complex is the macrocyclic ligand and It means a metal complex consisting of metal atoms. As an atom which has an unpaired electron, a nitrogen atom and an oxygen atom are mentioned, for example, A nitrogen atom is preferable. As a metal atom, each metal element of 1-15 group of a periodic table is mentioned, Preferably it is a 4-14 group metal element. In addition, the metal complex may be any metal as long as the metal atom and the macrocyclic ligand compound are 1: 1 (molar ratio) and form a planar four-coordinate complex.
大環状の配位子化合物又はその金属錯体の具体例としては、フタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体等が挙げられる。 Specific examples of the macrocyclic ligand compound or the metal complex thereof include phthalocyanine derivatives, naphthalocyanine derivatives, porphyrin derivatives, and the like.
フタロシアニン誘導体とは、フタロシアニンの基本骨格を有する化合物を意味する。具体的には、例えば、下記式(1A)又は(1B): A phthalocyanine derivative means a compound having a basic phthalocyanine skeleton. Specifically, for example, the following formula (1A) or (1B):
(式中、M1は、周期律表4〜14族からなる群から選ばれる金属原子又はその金属原子を含む原子団を示し、点線は配位結合を示す)
で表されるフタロシアニン誘導体が挙げられる。
(In the formula, M 1 represents a metal atom selected from the group consisting of groups 4 to 14 of the periodic table or an atomic group containing the metal atom, and a dotted line represents a coordinate bond)
The phthalocyanine derivative represented by these is mentioned.
M1で示される周期律表4〜14族の金属原子のうち好ましくは、7族(特に、Mn)、8族(Fe,Ru,Os)、9族(Co,Rh,Ir)、10族(Ni,Pd,Pt)、11族(特に、Cu)、12族(特に、Zn)が挙げられる。
Preferably among the Periodic Table 4-14 metals atom represented by
上記のうち、式(1A)で表されるフタロシアニン、又は式(1B)においてM1がCo,Pt,Os,Mn,Ir,Fe,Rh,Cu,Zn,Ni,Pd又はRuであるフタロシアニン誘導体が好ましく、特に有機物酸化分解における活性の点から無金属フタロシアニン、亜鉛フタロシアニン又は銅フタロシアニンが好ましく、水の分解における酸素の発生量の点からコバルトフタロシアニンが好ましい。これらの化合物は、いずれも市販されているか又は当業者が容易に製造することができる。 Among the above, the phthalocyanine represented by the formula (1A), or the phthalocyanine derivative in which M 1 is Co, Pt, Os, Mn, Ir, Fe, Rh, Cu, Zn, Ni, Pd, or Ru in the formula (1B) In particular, metal-free phthalocyanine, zinc phthalocyanine or copper phthalocyanine is preferable from the viewpoint of activity in organic oxidative decomposition, and cobalt phthalocyanine is preferable from the viewpoint of the amount of oxygen generated in water decomposition. These compounds are either commercially available or can be easily produced by those skilled in the art.
ナフタロシアニン誘導体とは、ナフタロシアニンの基本骨格を有する化合物を意味する。具体的には、例えば、下記式(2A)又は(2B): A naphthalocyanine derivative means a compound having a basic skeleton of naphthalocyanine. Specifically, for example, the following formula (2A) or (2B):
(式中、M2は、周期律表4〜14族からなる群から選ばれる金属原子又はその金属原子を含む原子団を示し、点線は配位結合を示す)
で表されるナフタロシアニン誘導体が挙げられる。
(In the formula, M 2 represents a metal atom selected from the group consisting of groups 4 to 14 of the periodic table or an atomic group containing the metal atom, and a dotted line represents a coordinate bond)
The naphthalocyanine derivative represented by these is mentioned.
M2で示される周期律表4〜14族の金属原子のうち好ましくは、7族(特に、Mn)、8族(Fe,Ru,Os)、9族(Co,Rh,Ir)、10族(Ni,Pd,Pt)、11族(特に、Cu)、12族(特に、Zn)が挙げられる。
Of the metal atoms in groups 4 to 14 of the periodic table represented by M 2 , group 7 (particularly Mn), group 8 (Fe, Ru, Os), group 9 (Co, Rh, Ir),
上記のうち、式(2A)表されるナフタロシアニン、又は式(2B)においてM2がCo,Pt,Os,Mn,Ir,Fe,Rh,Cu,Zn,Ni,Pd又はRuであるナフタロシアニン誘導体が好ましく、特に有機物酸化分解における活性の点から無金属ナフタロシアニン、亜鉛ナフタロシアニン又は銅ナフタロシアニンが好ましく、水の分解における酸素の発生量の点からコバルトナフタロシアニンが好ましい。これらの化合物は、いずれも市販されているか又は当業者が容易に製造することができる。 Among the above, naphthalocyanine represented by the formula (2A), or naphthalocyanine in which M 2 is Co, Pt, Os, Mn, Ir, Fe, Rh, Cu, Zn, Ni, Pd, or Ru in the formula (2B) Derivatives are preferred, and metal-free naphthalocyanine, zinc naphthalocyanine or copper naphthalocyanine is particularly preferred from the viewpoint of activity in organic oxidative decomposition, and cobalt naphthalocyanine is preferred from the viewpoint of the amount of oxygen generated in the decomposition of water. These compounds are either commercially available or can be easily produced by those skilled in the art.
ポルフィリン誘導体とは、ポルフィリンの基本骨格を有する化合物を意味する。具体的には、例えば、下記式(3A)又は(3B): A porphyrin derivative means a compound having a basic skeleton of porphyrin. Specifically, for example, the following formula (3A) or (3B):
(式中、R3は、水素原子、アルキル基、アリール基又はヘテロアリール基、M3は、周期律表4〜14族からなる群から選ばれる金属原子又はその金属原子を含む原子団を示し、点線は配位結合を示す)
で表されるポルフィリン誘導体が挙げられる。
(In the formula, R 3 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or a heteroaryl group, and M 3 represents a metal atom selected from the group consisting of groups 4 to 14 of the periodic table or an atomic group containing the metal atom. The dotted line shows the coordination bond)
The porphyrin derivative represented by these is mentioned.
ここで、上記のR3で示されるアルキル基としては、C1−20の直鎖又は分岐鎖のアルキル基が挙げられ、好ましくはC1−10のアルキル基である。具体的には、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec−ブチル、イソブチル、n−ペンチル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチルなどが挙げられる。 Here, examples of the alkyl group represented by R 3 include a C 1-20 linear or branched alkyl group, and a C 1-10 alkyl group is preferable. Specific examples include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, isobutyl, n-pentyl, n-hexyl, n-heptyl, n-octyl and the like.
また、上記のR3で示されるアリール基としては、単環又は2環のアリール基が挙げられ、具体的にはフェニル、ナフチル等が挙げられる。 Moreover, as an aryl group shown by said R < 3 >, a monocyclic or bicyclic aryl group is mentioned, Specifically, a phenyl, a naphthyl, etc. are mentioned.
また、上記のR3で示されるヘテロアリール基としては、ピリジル、ピラジニル等が挙げられる。 Examples of the heteroaryl group represented by R 3 include pyridyl and pyrazinyl.
M3で示される周期律表4〜14族の金属原子のうち好ましくは、7族(特に、Mn)、8族(Fe,Ru,Os)、9族(Co,Rh,Ir)、10族(Ni,Pd,Pt)、11族(特に、Cu)、12族(特に、Zn)が挙げられる。
Of the metal atoms of groups 4 to 14 of the periodic table represented by M 3 , group 7 (particularly Mn), group 8 (Fe, Ru, Os), group 9 (Co, Rh, Ir),
上記のうち、式(3A)で表されるポルフィリン、又は式(3B)においてM3がCo,Pt,Os,Mn,Ir,Fe,Rh,Cu,Zn,Ni,Pd又はRu、R3がフェニル又は水素原子であるポルフィリン誘導体が好ましく、特に有機物酸化分解における活性の点から無金属ポルフィリン、亜鉛ポルフィリン又は銅ポルフィリンが好ましく、水の分解における酸素の発生量の点からコバルトポルフィリンが好ましい。これらの化合物は、いずれも市販されているか又は当業者が容易に製造することができる。 Among the above, porphyrin represented by the formula (3A), or in the formula (3B), M 3 is Co, Pt, Os, Mn, Ir, Fe, Rh, Cu, Zn, Ni, Pd or Ru, R 3 is A porphyrin derivative which is a phenyl or hydrogen atom is preferred, and metal-free porphyrin, zinc porphyrin or copper porphyrin is particularly preferred from the viewpoint of activity in organic oxidative decomposition, and cobalt porphyrin is preferred from the viewpoint of the amount of oxygen generated in the decomposition of water. These compounds are either commercially available or can be easily produced by those skilled in the art.
第1及び第2の有機光応答素子に用いられるp型有機半導体としては、上述した大環状の配位子化合物又はその金属錯体が挙げられ、好ましくは、フタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体が挙げられる。より好ましくは、式(1A)、(1B)、(2A)、(2B)、(3A)、(3B)で表される化合物が挙げられる。特に、第1の有機光応答素子に用いられるp型有機半導体としては、有機物の酸化分解活性の点から、式(1A)で示される無金属フタロシアニン、及び式(1B)においてM1がZn、Cuでそれぞれ示されるフタロシアニンの金属錯体(亜鉛フタロシアニン及び銅フタロシアニン)が好ましく、また、酸素発生に対する活性の点から、式(1B)においてM1がCoで示されるフタロシアニンの金属錯体(コバルトフタロシアニン)が好ましい。上記のp型有機半導体は、市販品として入手可能か、或いは当業者が容易に製造できるものである。 Examples of the p-type organic semiconductor used in the first and second organic photoresponsive elements include the macrocyclic ligand compounds described above or metal complexes thereof. Preferably, a phthalocyanine derivative, a naphthalocyanine derivative, or a porphyrin derivative is used. Can be mentioned. More preferably, the compound represented by Formula (1A), (1B), (2A), (2B), (3A), (3B) is mentioned. In particular, as a p-type organic semiconductor used in the first organic photoresponsive element, from the viewpoint of oxidative decomposition activity of organic matter, metal-free phthalocyanine represented by the formula (1A) and M 1 in the formula (1B) are Zn, A metal complex of phthalocyanine (zinc phthalocyanine and copper phthalocyanine) each represented by Cu is preferable. From the viewpoint of activity against oxygen generation, a metal complex of phthalocyanine (cobalt phthalocyanine) in which M 1 is represented by Co in formula (1B) is preferable. preferable. The p-type organic semiconductor is available as a commercial product or can be easily manufactured by those skilled in the art.
第1の有機光応答素子及び第2の有機光応答素子に用いられるn型有機半導体としては、多環式芳香族化合物(一部が飽和していても良い)が挙げられる。多環式芳香族化合物とは、少なくとも2個以上の芳香環が縮環した構造を有する化合物、或いは複数の芳香環が不飽和結合(二重結合、三重結合等)を介して結合した構造を有する化合物等を意味する。芳香環としては、ベンゼン環等のほかに、ピロール環、イミダゾール環、ピリジン環、キノキサリン環等の複素芳香環も含まれる(いずれの環も一部が飽和していても良い)。 Examples of the n-type organic semiconductor used in the first organic photoresponsive element and the second organic photoresponsive element include polycyclic aromatic compounds (which may be partially saturated). A polycyclic aromatic compound is a compound having a structure in which at least two aromatic rings are condensed, or a structure in which a plurality of aromatic rings are bonded via unsaturated bonds (double bonds, triple bonds, etc.). It means the compound etc. which have. In addition to the benzene ring and the like, the aromatic ring includes a heteroaromatic ring such as a pyrrole ring, an imidazole ring, a pyridine ring, and a quinoxaline ring (all of the rings may be partially saturated).
多環式芳香族化合物には、本発明に悪影響を与えない範囲で、種々の置換基を有していても良い。置換基としては、電子吸引基が挙げられ、具体的にはカルボニル基、スルホン基、スルホキシド基等が挙げられる。 The polycyclic aromatic compound may have various substituents within a range that does not adversely affect the present invention. Examples of the substituent include an electron withdrawing group, and specific examples include a carbonyl group, a sulfone group, and a sulfoxide group.
多環式芳香族化合物の具体例としては、C60、C70、C76、C82、C84などのフラーレン類;カーボンナノチューブ類;電子供与体(フェニレンジアミン、テトラアミノエチレン、トリス(2,2−ビピリジン)ルテニウムなど)をドープした導電性高分子(ポリイミド、ポリフェニレンビニレン、ポリパラフェニレン、ポリピロール等);ペリレン誘導体;ナフタレン誘導体等が挙げられる。中でも、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体、フラーレン類(C60等)等が好ましく採用され、特にペリレン誘導体やフラーレン類(C60等)が好ましい。 Specific examples of the polycyclic aromatic compound include fullerenes such as C 60 , C 70 , C 76 , C 82 , and C 84 ; carbon nanotubes; electron donors (phenylenediamine, tetraaminoethylene, tris (2, 2-bipyridine) ruthenium) -doped conductive polymers (polyimide, polyphenylene vinylene, polyparaphenylene, polypyrrole, etc.); perylene derivatives; naphthalene derivatives. Among these, perylene derivatives, naphthalene derivatives, fullerenes (C 60 and the like) are preferably used, and perylene derivatives and fullerenes (C 60 and the like) are particularly preferable.
ペリレン誘導体とは、ペリレンの基本骨格を有する化合物を意味する。具体的には、例えば、下記式(4A)〜(4C): A perylene derivative means a compound having a basic skeleton of perylene. Specifically, for example, the following formulas (4A) to (4C):
(式中、R1は、アルキル基又はアリール基を示す)
で表されるペリレン誘導体が挙げられる。
(Wherein R 1 represents an alkyl group or an aryl group)
The perylene derivative represented by these is mentioned.
ナフタレン誘導体とは、ナフタレンの基本骨格を有する化合物を意味する。具体的には、例えば、下記式(5A): A naphthalene derivative means a compound having a basic skeleton of naphthalene. Specifically, for example, the following formula (5A):
(式中、R2は、アルキル基又はアリール基を示す)
で表されるナフタレン誘導体が挙げられる。
(Wherein R 2 represents an alkyl group or an aryl group)
The naphthalene derivative represented by these is mentioned.
ここで、上記のR1又はR2で示されるアルキル基としては、C1−20の直鎖又は分岐鎖のアルキル基が挙げられ、好ましくはC1−10のアルキル基である。具体的には、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、sec−ブチル、イソブチル、n−ペンチル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチルなどが挙げられる。 Here, examples of the alkyl group represented by R 1 or R 2 include a C 1-20 linear or branched alkyl group, and a C 1-10 alkyl group is preferable. Specific examples include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, sec-butyl, isobutyl, n-pentyl, n-hexyl, n-heptyl, n-octyl and the like.
また、上記のR1又はR2で示されるアリール基としては、単環又は2環のアリール基が挙げられ、具体的にはフェニル、ナフチル等が挙げられる。 Moreover, as an aryl group shown by said R < 1 > or R < 2 >, a monocyclic or bicyclic aryl group is mentioned, Specifically, a phenyl, a naphthyl, etc. are mentioned.
この有機光応答素子に用いられるn型有機半導体としては、上記のp型有機半導体との間において良好なp−n接合の関係を有しているものが用いられる。このn型有機半導体としては、上述した多環式芳香族化合物(一部が飽和していても良い)が挙げられ、好ましくは、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体又はフラーレン類が挙げられる。より好ましくは、式(4A)、(4B)、(4C)、(5A)で表される化合物が挙げられる。特に、効率的なキャリア生成の点から、式(4A)で示されるペリレン誘導体(3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシル−ビスベンズイミダゾール)又はフラーレン類(C60等)が好適に用いられる。上記のn型有機半導体は、市販品として入手可能か、或いは当業者が容易に製造できるものである。 As the n-type organic semiconductor used in the organic photoresponsive element, one having a good pn junction relationship with the p-type organic semiconductor is used. Examples of the n-type organic semiconductor include the above-described polycyclic aromatic compounds (which may be partially saturated), and preferred are perylene derivatives, naphthalene derivatives, and fullerenes. More preferably, the compound represented by Formula (4A), (4B), (4C), (5A) is mentioned. In particular, from the viewpoint of efficient carrier generation, a perylene derivative (3,4,9,10-perylenetetracarboxyl-bisbenzimidazole) or a fullerene (C 60 or the like) represented by the formula (4A) is preferably used. . The n-type organic semiconductor is available as a commercial product or can be easily manufactured by those skilled in the art.
第1室の第1の有機光応答素子は、電極基材の表面に、n型有機半導体からなる第1層及びp型有機半導体からなる第2層が被覆されてなる。 The first organic light-responsive element in the first chamber is formed by covering the surface of the electrode base material with a first layer made of an n-type organic semiconductor and a second layer made of a p-type organic semiconductor.
ここで、電極基材をn型有機半導体及びp型有機半導体で被覆する方法は、公知の方法を採用することができ、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、電気化学的被覆(電析)、溶液より被覆等の方法が挙げられる。中でも、ペリレン誘導体/フタロシアニン誘導体系に関しては、均一な被覆膜が得られる点から、真空蒸着法が好ましい。 Here, as a method of coating the electrode substrate with the n-type organic semiconductor and the p-type organic semiconductor, a known method can be adopted, for example, a vacuum deposition method, a sputtering method, an electrochemical coating (electrodeposition), A method such as coating may be used from the solution. Among these, with respect to the perylene derivative / phthalocyanine derivative system, the vacuum deposition method is preferable because a uniform coating film can be obtained.
第1の有機光応答素子の第1層は、電極基材を被覆する通常10〜400nm程度(好ましくは20〜300nm程度)の厚さを有する連続被膜からなり、第2層は、第1層を被覆する通常10〜200nm程度(好ましくは50〜100nm程度)の厚さを有する連続被膜からなる。有機半導体層の厚さに関して、層が厚すぎると自身のフィルター効果により可視光の吸収効率が低下するため、第1層は20〜300nm程度、第2層は50〜100nm程度がより好ましい。 The first layer of the first organic light-responsive element is a continuous film having a thickness of usually about 10 to 400 nm (preferably about 20 to 300 nm) covering the electrode substrate, and the second layer is the first layer. The coating is usually a continuous film having a thickness of about 10 to 200 nm (preferably about 50 to 100 nm). Regarding the thickness of the organic semiconductor layer, if the layer is too thick, the absorption efficiency of visible light decreases due to its own filter effect. Therefore, the first layer is more preferably about 20 to 300 nm, and the second layer is more preferably about 50 to 100 nm.
第1の有機光応答素子は、電子供与剤を含む電解質溶液に浸漬されている。 The first organic photoresponsive element is immersed in an electrolyte solution containing an electron donor.
第1室の電解質溶液としては、酸性水溶液やアルカリ性水溶液が好適に用いられる。 As the electrolyte solution in the first chamber, an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution is preferably used.
該酸性水溶液としては、リン酸や硫酸などの酸を含む水溶液が好ましい。特に好ましくは、リン酸水溶液である。該水溶液中の水素イオン濃度は、通常0.1mM〜0.1M程度であればよい。例えば、上記のフラーレン類/フタロシアニン誘導体で被覆された電極を用いた場合では、酸水溶液が好ましく、そのpHは1〜4程度が好ましい。 The acidic aqueous solution is preferably an aqueous solution containing an acid such as phosphoric acid or sulfuric acid. Particularly preferred is an aqueous phosphoric acid solution. The hydrogen ion concentration in the aqueous solution is usually about 0.1 mM to 0.1M. For example, when an electrode covered with the above fullerenes / phthalocyanine derivative is used, an acid aqueous solution is preferable, and the pH is preferably about 1 to 4.
該アルカリ性水溶液としては、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物の水溶液中に、リン酸塩、硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩等の電解質を含むものが好ましい。特に好ましくは、アルカリ金属水酸化物水溶液である。該水溶液中の水酸化物イオン濃度は、通常0.1mM〜1M程度であればよい。例えば、ペリレン誘導体/フタロシアニン誘導体で被覆された電極を用いた場合では、アルカリ金属水酸化物水溶液が好ましく、そのpHは10〜14程度が好ましい。 The alkaline aqueous solution preferably contains an electrolyte such as phosphate, sulfate, nitrate, carbonate, acetate in an aqueous solution of an alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide or potassium hydroxide. Particularly preferred is an aqueous alkali metal hydroxide solution. The hydroxide ion concentration in the aqueous solution is usually about 0.1 mM to 1M. For example, when an electrode covered with a perylene derivative / phthalocyanine derivative is used, an aqueous alkali metal hydroxide solution is preferable, and the pH is preferably about 10 to 14.
この電解質溶液には、電子供与剤が含まれている。電子供与剤は、光照射下でp型有機半導体上に生じる酸化力により酸化されるものであり、このようなものとして、例えば、水、水酸化物イオン、有機物、フェロシアン化物イオン([Fe(CN)6]4+)、鉄(II)イオン(Fe2+)等を挙げることができる。これらは、1種単独で又は2種以上混合して使用される。 This electrolyte solution contains an electron donor. The electron donor is oxidized by the oxidizing power generated on the p-type organic semiconductor under light irradiation. Examples of such an electron donor include water, hydroxide ions, organic substances, ferrocyanide ions ([Fe (CN) 6 ] 4+ ), iron (II) ions (Fe 2+ ) and the like. These are used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.
ここで、有機物として、例えば、有機チオール、カルボン酸、アルデヒド、有機アミン等を挙げることができる。有機チオールには、2−メルカプトエタノール、チオフェノール等が含まれる。カルボン酸には、ギ酸、酢酸等が含まれる。アルデヒドには、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等が含まれる。有機アミンには、トリメチルアミン、トリエチルアミン等が含まれる。これらは、1種単独で又は2種以上混合して使用される。 Here, examples of organic substances include organic thiols, carboxylic acids, aldehydes, and organic amines. Organic thiols include 2-mercaptoethanol, thiophenol, and the like. Carboxylic acids include formic acid, acetic acid and the like. Aldehydes include formaldehyde, acetaldehyde and the like. Organic amines include trimethylamine, triethylamine, and the like. These are used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.
第2室の第2の有機光応答素子は、電極基材の表面に、p型有機半導体からなる第1層及びn型有機半導体からなる第2層が被覆されている。電極基材をp型有機半導体及びn型有機半導体で被覆する方法としては、上記と同様の方法を用いることができる。第2の有機光応答素子は、電極基材の表面にp型有機半導体からなる第1層及びn型有機半導体からなる第2層に加えて、さらに第2層の上に遷移金属触媒(例えば、Ru、Pd、Pt、Ir触媒等、好ましくはPt又はRu触媒)が担持されていてもよい。第2層上に遷移金属触媒を担持する場合には、電解析出法(電気化学的還元)等の公知の方法を用いればよい。 In the second organic photoresponsive element in the second chamber, the surface of the electrode base material is coated with a first layer made of a p-type organic semiconductor and a second layer made of an n-type organic semiconductor. As a method for coating the electrode substrate with the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor, the same method as described above can be used. In addition to the first layer made of a p-type organic semiconductor and the second layer made of an n-type organic semiconductor on the surface of the electrode base material, the second organic photoresponsive element further has a transition metal catalyst (for example, , Ru, Pd, Pt, Ir catalyst, etc., preferably Pt or Ru catalyst) may be supported. When a transition metal catalyst is supported on the second layer, a known method such as electrolytic deposition (electrochemical reduction) may be used.
第2の有機光応答素子の第1層は、電極基材を被覆する通常10〜200nm程度(好ましくは50〜100nm程度)の厚さを有する連続被膜からなり、第2層は、第1層を被覆する通常10〜300nm程度(好ましくは20〜200nm程度)の厚さを有する連続被膜からなる。有機半導体層の厚さに関して、層が厚すぎると自身のフィルター効果により可視光の吸収効率が低下するため、第1層は50〜100nm程度、第2層は20〜200nm程度がより好ましい。 The first layer of the second organic light-responsive element is formed of a continuous film having a thickness of usually about 10 to 200 nm (preferably about 50 to 100 nm) covering the electrode substrate, and the second layer is the first layer. The coating is usually a continuous film having a thickness of about 10 to 300 nm (preferably about 20 to 200 nm). Regarding the thickness of the organic semiconductor layer, if the layer is too thick, the absorption efficiency of visible light decreases due to its filter effect. Therefore, the first layer is preferably about 50 to 100 nm, and the second layer is more preferably about 20 to 200 nm.
第2室には、上述した第2の有機光応答素子でなく、金属電極が備えられていてもよい。 The second chamber may be provided with a metal electrode instead of the second organic photoresponsive element described above.
金属電極としては、公知の金属電極、例えば、白金電極、金電極等の貴金属電極等を挙げることができる。 Examples of the metal electrode include known metal electrodes such as noble metal electrodes such as platinum electrodes and gold electrodes.
第2の有機光応答素子又は金属電極は、電子受容剤を含む電解質溶液に浸漬されている。 The second organic photoresponsive element or the metal electrode is immersed in an electrolyte solution containing an electron acceptor.
第2室の電解質溶液としては、第1室の電解質溶液と同様のものを用いることができ、酸性水溶液やアルカリ性水溶液が好適に用いられる。 As the electrolyte solution in the second chamber, the same solution as the electrolyte solution in the first chamber can be used, and an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution is preferably used.
この電解質溶液には、電子受容剤が含まれている。電子受容剤は、光照射下でn型有機半導体上に生じる還元力により還元されるものであり、このようなものとして、例えば、水、水素イオン、フェリシアン化物イオン([Fe(CN)6]3+)、鉄(III)イオン(Fe3+)、ペルオキソ二硫酸イオン(S2O8 2−)、酸素等を挙げることができる。これらは、1種単独で又は2種以上混合して使用される。 This electrolyte solution contains an electron acceptor. The electron acceptor is reduced by a reducing force generated on the n-type organic semiconductor under light irradiation. As such, for example, water, hydrogen ion, ferricyanide ion ([Fe (CN) 6 3+ ), iron (III) ion (Fe 3+ ), peroxodisulfate ion (S 2 O 8 2− ), oxygen and the like. These are used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.
上記のように構成された第1室と第2室とは、第1の有機光応答素子の電極基材と第2の有機光応答素子の電極基材又は金属電極とが導線により反応セルの外部で連結されるとともに反応セル同士が塩橋によって連結されている。 The first chamber and the second chamber configured as described above are configured such that the electrode base material of the first organic light responsive element and the electrode base material or metal electrode of the second organic light responsive element are connected to each other by a conducting wire. The reaction cells are connected to each other by a salt bridge.
導線によって、第1室と第2室との間を電子が移動し、塩橋によって、第1室と第2室との間をイオンが移動する。 Electrons move between the first chamber and the second chamber by the conducting wire, and ions move between the first chamber and the second chamber by the salt bridge.
上記のように構成された反応セルの第1室に光を照射すると、電極基材の表面に、n型有機半導体からなる第1層及びp型有機半導体からなる第2層が被覆されてなる第1の有機光応答素子では、光(特に可視光)照射下で生成した電子キャリアはn型有機半導体内を電極基材方向に流れ、また光照射下で生じた正孔キャリアはp型有機半導体内をn型有機半導体と逆の方向に流れるため、結果としてp型有機半導体と電解質溶液との界面で正孔による酸化反応を起こすことができる。 When the first chamber of the reaction cell configured as described above is irradiated with light, the surface of the electrode base material is coated with a first layer made of an n-type organic semiconductor and a second layer made of a p-type organic semiconductor. In the first organic photoresponsive element, electron carriers generated under light (particularly visible light) irradiation flow in the n-type organic semiconductor toward the electrode substrate, and hole carriers generated under light irradiation are p-type organic. Since it flows in the opposite direction to the n-type organic semiconductor in the semiconductor, as a result, an oxidation reaction by holes can be caused at the interface between the p-type organic semiconductor and the electrolyte solution.
よって、第1室の電解質溶液に電子供与剤として水又は水酸化物イオンが含まれる場合には、光照射によって水又は水酸化物イオンが酸化されることになる。電子供与剤として、水及び水酸化物イオン以外の電子供与剤(有機物、フェロシアン化物イオン又は鉄(II)イオン)が含まれる場合には、該電子供与剤が酸化され、特に有機物が含まれる場合には、有機物が酸化され、有機物の酸化分解が起こる。 Therefore, when water or hydroxide ions are contained as an electron donor in the electrolyte solution in the first chamber, water or hydroxide ions are oxidized by light irradiation. When an electron donor other than water and hydroxide ions (organic substance, ferrocyanide ion or iron (II) ion) is included as the electron donor, the electron donor is oxidized, and particularly an organic substance is included. In some cases, the organic matter is oxidized and oxidative decomposition of the organic matter occurs.
これより、第1室の電子供与剤が有機物である反応セルにおいて、第1室及び第2室に電圧を印加することなく第1室に光を照射することを特徴とする光誘起により有機物を酸化分解する方法が提供される。 Thus, in the reaction cell in which the electron donor in the first chamber is an organic substance, the organic substance is induced by light induction, which is characterized by irradiating the first chamber with light without applying a voltage to the first chamber and the second chamber. A method for oxidative degradation is provided.
また、反応セルの第2室に光を照射すると、電極基材の表面に、p型有機半導体からなる第1層及びn型有機半導体からなる第2層が被覆されてなる第2の有機光応答素子では、光(特に可視光)照射下で生成した電子キャリアはn型有機半導体内をp型有機半導体とは逆の方向に流れ、また光照射下で生じた正孔キャリアはp型有機半導体内を電極基材方向に流れる。結果として、n型有機半導体と電解質溶液との界面で電子による還元反応を起こすことができる。 Further, when the second chamber of the reaction cell is irradiated with light, the second organic light in which the surface of the electrode base material is coated with the first layer made of a p-type organic semiconductor and the second layer made of an n-type organic semiconductor. In the response element, electron carriers generated under light (particularly visible light) irradiation flow in the opposite direction to the p-type organic semiconductor in the n-type organic semiconductor, and hole carriers generated under light irradiation are p-type organic. It flows in the semiconductor toward the electrode substrate. As a result, it is possible to cause a reduction reaction by electrons at the interface between the n-type organic semiconductor and the electrolyte solution.
よって、第2室の電解質溶液に電子受容剤として水又は水素イオンが含まれ、第2の有機光応答素子の第2層に遷移金属触媒が担持されている場合には、光照射によって水又は水素イオンが還元されて水素が発生することになる。電子受容剤として、水及び水素イオン以外の電子受容剤(フェリシアン化物イオン、鉄(III)イオン、ペルオキソ二硫酸イオン又は酸素)が含まれる場合には、該電子受容剤が還元されることになる。 Therefore, when the electrolyte solution in the second chamber contains water or hydrogen ions as an electron acceptor and the transition metal catalyst is supported on the second layer of the second organic photoresponsive element, water or Hydrogen ions are reduced to generate hydrogen. When an electron acceptor other than water and hydrogen ions (ferricyanide ion, iron (III) ion, peroxodisulfate ion or oxygen) is included as an electron acceptor, the electron acceptor is reduced. Become.
このように、本発明の有機光応答素子用反応セルを用いれば、二室型の反応セルで別々に酸化反応と還元反応とを起こすことができるので、別々の場所で光触媒反応を完結させることができる。 As described above, if the reaction cell for an organic photoresponsive element of the present invention is used, an oxidation reaction and a reduction reaction can be separately caused in a two-chamber reaction cell, so that the photocatalytic reaction can be completed at different locations. Can do.
本発明の反応セルの好ましい実施形態の模式図を図1に示す。 A schematic diagram of a preferred embodiment of the reaction cell of the present invention is shown in FIG.
図1の反応セル1は、第1室2と第2室3とからなる二室の反応セルを有している。
The reaction cell 1 in FIG. 1 has a two-chamber reaction cell composed of a
第1室2は、第1の有機光応答素子4を備えている。この第1の有機光応答素子4は、電極基材5の表面に、n型有機半導体からなる第1層6及びp型有機半導体からなる第2層7が被覆されてなる。
The
電極基材5としては、上述した電極基材と同様のものを用いることができる。その中でも、導電性透明ガラス基材が好ましく用いられ、特に、インジウム−スズオキシド(ITO)等で被覆された導電性透明ガラス基材が好ましく用いられる。
As the
電極基材5の表面にはn型有機半導体からなる第1層6が被覆されている。n型有機半導体としては、上述したn型有機半導体と同様のものを用いることができる。n型有機半導体としては、上述した多環式芳香族化合物(一部が飽和していても良い)が挙げられ、好ましくは、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体又はフラーレン類が挙げられる。より好ましくは、式(4A)、(4B)、(4C)、(5A)で表される化合物が挙げられる。特に、効率的なキャリア生成の点から、式(4A)で示されるペリレン誘導体(3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシル−ビスベンズイミダゾール)が好適に用いられる。
The surface of the
第1層6の上にはp型有機半導体からなる第2層7が被覆されている。p型有機半導体としては、上述したp型有機半導体と同様のものを用いることができる。その中でも、酸化活性の高いものが用いられる。このp型有機半導体としては、上述した大環状の配位子化合物又はその金属錯体が挙げられ、好ましくは、フタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体が挙げられる。より好ましくは、式(1A)、(1B)、(2A)、(2B)、(3A)、(3B)で表される化合物が挙げられる。特に、式(1A)で示される無金属フタロシアニンが好ましい。
A
第1の有機光応答素子4は、例えば、電極基材5にn型有機半導体を真空蒸着してn型有機半導体層(第1層)6を形成し、その上にp型有機半導体を真空蒸着してp型有機半導体層(第2層)7を形成することによって得ることができる。
For example, the first organic light-responsive element 4 forms an n-type organic semiconductor layer (first layer) 6 by vacuum-depositing an n-type organic semiconductor on the
第1の有機光応答素子4の第1層6は、電極基材5を被覆する通常10〜400nm程度(好ましくは20〜300nm程度)の厚さを有する連続被膜からなり、第2層7は、第1層6を被覆する通常10〜200nm程度(好ましくは50〜100nm程度)の厚さを有する連続被膜からなる。有機半導体層の厚さに関して、層が厚すぎると自身のフィルター効果により可視光の吸収効率が低下するため、第1層6は20〜300nm程度、第2層7は50〜100nm程度がより好ましい。
The
このように構成された第1の有機光応答素子4は、電子供与剤を含む電解質溶液8に浸漬されている。
The first organic photoresponsive element 4 configured as described above is immersed in an
電解質溶液8としては、酸性水溶液やアルカリ性水溶液が好適に用いられる。
As the
該酸性水溶液としては、リン酸や硫酸などの酸を含む水溶液が好ましい。特に好ましくは、リン酸水溶液である。該水溶液中の水素イオン濃度は、通常0.1mM〜0.1M程度であればよい。そのpHは1〜4程度が好ましい。 The acidic aqueous solution is preferably an aqueous solution containing an acid such as phosphoric acid or sulfuric acid. Particularly preferred is an aqueous phosphoric acid solution. The hydrogen ion concentration in the aqueous solution is usually about 0.1 mM to 0.1M. The pH is preferably about 1 to 4.
該アルカリ性水溶液としては、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物の水溶液中に、リン酸塩、硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩等の電解質を含むものが好ましい。特に好ましくは、アルカリ金属水酸化物水溶液である。該水溶液中の水酸化物イオン濃度は、通常0.1mM〜1M程度であればよい。例えば、ペリレン誘導体/フタロシアニン誘導体で被覆された電極を用いた場合では、アルカリ金属水酸化物水溶液が好ましく、そのpHは10〜14程度が好ましい。 The alkaline aqueous solution preferably contains an electrolyte such as phosphate, sulfate, nitrate, carbonate, acetate in an aqueous solution of an alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide or potassium hydroxide. Particularly preferred is an aqueous alkali metal hydroxide solution. The hydroxide ion concentration in the aqueous solution is usually about 0.1 mM to 1M. For example, when an electrode covered with a perylene derivative / phthalocyanine derivative is used, an aqueous alkali metal hydroxide solution is preferable, and the pH is preferably about 10 to 14.
この電解質溶液8には、電子供与剤が含まれている。電子供与剤として、水、水酸化物イオン、有機チオール、カルボン酸、アルデヒド、有機アミン、フェロシアン化物イオン([Fe(CN)6]4+)及び鉄(II)イオン(Fe2+)等を挙げることができる。これらは、1種単独で又は2種以上混合して使用される。好ましくは、有機チオール又はフェロシアン化物イオン([Fe(CN)6]4+)であり、特に2−メルカプトエタノールが好ましい。
The
一方、第2室3は、第2の有機光応答素子9を備えている。この第2の有機光応答素子9は、電極基材10の表面に、p型有機半導体からなる第1層11及びn型有機半導体からなる第2層12が被覆され、該第2層12の上にさらに遷移金属触媒が担持されてなる。
On the other hand, the
電極基材10としては、上述した電極素材と同様のものを用いることができる。電極基材10は第1の有機光応答素子4の電極基材5と同一であっても異なっていてもよい。好ましい電極基材10として、導電性透明ガラス基材が挙げられ、特に、インジウム−スズオキシド(ITO)等で被覆された導電性透明ガラス基材が好ましい。
As the
電極基材10の表面にはp型有機半導体からなる第1層11が被覆されている。p型有機半導体としては、上述したp型有機半導体と同様のものを用いることができる。p型有機半導体としては、上述した大環状の配位子化合物又はその金属錯体が挙げられ、好ましくは、フタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体が挙げられる。より好ましくは、式(1A)、(1B)、(2A)、(2B)、(3A)、(3B)で表される化合物が挙げられる。特に、式(1A)で示される無金属フタロシアニンが好ましい。
The surface of the
第1層11の上にはn型有機半導体からなる第2層12が被覆されている。n型有機半導体としては、上述したn型有機半導体と同様のものを用いることができる。その中でも、光照射時における水の分解において効率的な水素の発生が可能なものが用いられる。このようなn型有機半導体としては、上述した多環式芳香族化合物(一部が飽和していても良い)が挙げられ、好ましくは、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体又はフラーレン類が挙げられる。より好ましくは、フラーレン類(C60)が用いられる。
On the
第2の有機光応答素子9は、第2層12の上にさらに遷移金属触媒(例えば、Ru,Pd,Pt,Ir触媒等、好ましくはPt又はRu触媒)を担持している。第2層12上に担持される遷移金属触媒は、第2層12を完全に被覆する必要はなく分散担持されていればよい。例えば、遷移金属触媒は、その平均粒径が5〜800nm程度(好ましくは10〜100nm程度)の微粒子状態で第2層12上に担持される。
The second organic
第2の有機光応答素子9は、例えば、電極基材10にp型有機半導体を真空蒸着してp型有機半導体層(第1層)11を形成し、その上にn型有機半導体を真空蒸着してn型有機半導体層(第2層)12を形成することによって得ることができる。さらに、第2層12上に遷移金属触媒を担持する方法として、電解析出法(電気化学的還元)等の公知の方法を採用することができる。例えば、白金担持に関しては、硫酸やリン酸等を含む水溶液に、K2PtCl4、K2PtCl6、H2PtCl6などの白金塩を加えて、光カソード条件で白金を担持する方法が挙げられる。適用するカソード条件としては、印加電圧が+0.4〜−0.2V(vs.Ag/AgCl)程度であることが好ましい。水素イオン濃度は、通常1mM〜10mM程度であり、白金塩の濃度は、通常0.1mM〜1mM程度であることが好ましい。
For example, the second organic light-
第2の有機光応答素子9の第1層11は、電極基材10を被覆する通常10〜200nm程度(好ましくは50〜100nm程度)の厚さを有する連続被膜からなり、第2層12は、第1層11を被覆する通常10〜300nm程度(好ましくは20〜200nm程度)の厚さを有する連続被膜からなる。有機半導体層の厚さに関して、層が厚すぎると自身のフィルター効果により可視光の吸収効率が低下するため、第1層11は50〜100nm程度、第2層12は20〜200nm程度がより好ましい。
The
このように構成された第2の有機光応答素子9は、電解質溶液13に浸漬されている。
The second organic
電解質溶液13としては、第1室2の電解質溶液8と同様のものを用いることができ、酸性水溶液やアルカリ性水溶液が好適に用いられる。例えば、フタロシアニン誘導体/フラーレンで被覆された電極を用いた場合では、酸性水溶液、特にリン酸水溶液が好ましく、そのpHは1〜3程度が好ましい。
As the
この電解質溶液13には、電子受容剤として、水及び水素イオンからなる群から選択される少なくとも1種が含まれている。
The
そして、第1室2と第2室3とが、第1の有機光応答素子4の電極基材5と第2の有機光応答素子9の電極基材10とが導線14により反応セルの外部で連結されるとともに塩橋15によって反応セル同士が連結されている。
The
この反応セル1の第1室2及び第2室3に光を照射すると、第1室2では酸化反応(電子供与剤の光酸化)が起こる。第2室3では、電子受容剤である水又は水素イオンの還元反応が起こり、光触媒的に水素が発生する。
When the
この反応セル1によれば、電気化学的なバイアスを印加しなくても、光を照射するだけで、光誘起の水素発生を起こすことができる。 According to this reaction cell 1, it is possible to cause photo-induced hydrogen generation only by irradiation with light without applying an electrochemical bias.
よって、本発明において、反応セル1において、第1室2及び第2室3に電圧を印加することなく両室に光を照射することを特徴とする光誘起により水を分解して水素を発生させる方法が提供される。
Therefore, in the present invention, in the reaction cell 1, light is emitted to both chambers without applying voltage to the
本発明の反応セルのもう1つの好ましい実施形態の模式図を図2に示す。 A schematic diagram of another preferred embodiment of the reaction cell of the present invention is shown in FIG.
図2の反応セル21は、第1室22と第2室23とからなる二室の反応セルを有している。
The
第1室22は、第1の有機光応答素子24を備えている。この第1の有機光応答素子24は、電極基材25の表面に、n型有機半導体からなる第1層26及びp型有機半導体からなる第2層27が被覆されてなる。
The
電極基材25としては、上述した電極基材と同様のものを用いることができる。その中で、導電性透明ガラス基材が好ましく用いられ、特に、インジウム−スズオキシド(ITO)等で被覆された導電性透明ガラス基材が好ましく用いられる。
As the
電極基材25の表面にはn型有機半導体からなる第1層26が被覆されている。n型有機半導体としては、上述したn型有機半導体と同様のものを用いることができる。n型有機半導体としては、上述した多環式芳香族化合物(一部が飽和していても良い)が挙げられ、好ましくは、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体又はフラーレン類が挙げられる。より好ましくは、式(4A)、(4B)、(4C)、(5A)で表される化合物が挙げられる。特に、効率的なキャリア生成の点から、式(4A)で示されるペリレン誘導体(3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシル−ビスベンズイミダゾール)が好適に用いられる。
The surface of the
第1層26の上にはp型有機半導体からなる第2層27が被覆されている。p型有機半導体としては、上述したp型有機半導体と同様のものを用いることができる。その中でも、光照射時における水の分解において酸素を効率よく発生しうる酸素発生触媒として活性の高いものが用いられる。このp型有機半導体としては、上述した大環状の配位子化合物又はその金属錯体が挙げられ、好ましくは、フタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体が挙げられる。より好ましくは、式(1A)、(1B)、(2A)、(2B)、(3A)、(3B)で表される化合物が挙げられる。特に、式(1B)においてM1がCoで示されるフタロシアニンの金属錯体(コバルトフタロシアニン)が好ましい。
A
このように構成された第1の有機光応答素子24は、電解質溶液28に浸漬されている。
The first organic
電解質溶液28としては、第1室2の電解質溶液8と同様のものを用いることができ、酸性水溶液やアルカリ性水溶液が好適に用いられる。例えば、ペリレン誘導体/フタロシアニン誘導体で被覆された電極を用いた場合では、アルカリ性水溶液、特にアルカリ金属水酸化物水溶液が好ましく、そのpHは10〜12程度が好ましい。
As the
この電解質溶液28には、電子供与剤として、水及び水酸化物イオンからなる群から選択される少なくとも1種が含まれている。
The
第1の有機光応答素子24は、例えば、電極基材25にn型有機半導体を真空蒸着してn型有機半導体層(第1層)26を形成し、その上にp型有機半導体を真空蒸着してp型有機半導体層(第2層)27を形成することによって得ることができる。
For example, the first organic light-
第1の有機光応答素子24の第1層26は、電極基材25を被覆する通常10〜400nm程度(好ましくは20〜300nm程度)の厚さを有する連続被膜からなり、第2層27は、第1層26を被覆する通常10〜200nm程度(好ましくは50〜100nm程度)の厚さを有する連続被膜からなる。有機半導体層の厚さに関して、層が厚すぎると自身のフィルター効果により可視光の吸収効率が低下するため、第1層26は20〜300nm程度、第2層27は50〜100nm程度がより好ましい。
The
第2室23は、金属電極29を備えている。
The
金属電極29としては、上述した金属電極を用いることができる。好ましくは、白金電極を用いることができる。
As the
この金属電極29が、電子受容剤を含む電解質溶液30に浸漬されている。
The
電解質溶液30としては、第1室2の電解質溶液8で記載した酸性水溶液やアルカリ性水溶液が好適に用いられる。その中で、アルカリ性水溶液であるアルカリ金属水酸化物水溶液が好ましく、そのpHは10〜12程度が好ましい。
As the
この電解質溶液30には、電子受容剤が含まれている。電子受容剤として、水及び水素イオン以外のもの、例えば、フェリシアン化物イオン([Fe(CN)6]3+)、鉄(III)イオン(Fe3+)、ペルオキソ二硫酸イオン(S2O8 2−)、酸素等を挙げることができる。これらは、1種単独で又は2種以上混合して使用される。好ましくは、フェリシアン化物イオン([Fe(CN)6]3+)が用いられる。
The
そして、第1室22と第2室23とが、第1の有機光応答素子24の電極基材25と金属電極29とが導線14により反応セルの外部で連結されるとともに塩橋15によって反応セル同士が連結されている。
Then, the
この反応セル21の第1室22に光を照射すると、第1室22では電子供与剤である水又は水酸化物イオンの酸化反応が起こり、光触媒的に酸素が発生する。第2室23では還元反応(水及び水素イオン以外の電子受容剤の還元)が起こる。
When the
この反応セル21によれば、電気化学的なバイアスを印加しなくても、光を照射するだけで、光誘起の酸素発生を起こすことができる。
According to this
よって、本発明において、反応セル21において、第1室22及び第2室23に電圧を印加することなく第1室22に光を照射することを特徴とする光誘起により水を分解して酸素を発生させる方法が提供される。
Therefore, in the present invention, in the
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited by these examples.
実施例1(二室とも有機光応答素子を備えた反応セルを用いた水素発生)
(1)第1の有機光応答素子の材料として、n型半導体である3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシル−ビスベンズイミダゾール(以下「PTCBI」と表記する)及びp型半導体である無金属フタロシアニン(H2Pc)を用いた。本発明においては、それぞれ昇華精製したものを用いた。
Example 1 (hydrogen generation using a reaction cell equipped with an organic photoresponsive element in both chambers)
(1) As a material of the first organic light-responsive element, 3,4,9,10-perylenetetracarboxyl-bisbenzimidazole (hereinafter referred to as “PTCBI”) which is an n-type semiconductor and no p-type semiconductor Metal phthalocyanine (H 2 Pc) was used. In the present invention, those purified by sublimation were used.
第1の有機光応答素子の作製は、真空蒸着法により行った。まず、ITO被覆ガラス基板(旭硝子社製、抵抗8Ωcm−2;ITO被覆ガラスの透過率85%以上;インジウムスズオキシドの積層厚174nm)上に、PTCBIを約300nmの厚さで、次いで、PTCBI上にH2Pcを約60nmの厚さで積層した。
The first organic photoresponsive element was produced by a vacuum deposition method. First, on an ITO-coated glass substrate (Asahi Glass Co., Ltd.,
この第1の有機光応答素子を1cm×1.5cmに切り出した。そのうちの1cm×0.5cmに相当する部分をアセトンで拭き取り、銀含有エポキシ系接着剤(東洋インキ製造社製、T−700)を用いて導線を取り付けた。銀部位と水の接触を防ぐために、エポキシ系接着剤を用いて絶縁して、第1の有機光応答素子とした。 This first organic photoresponsive element was cut into 1 cm × 1.5 cm. A portion corresponding to 1 cm × 0.5 cm was wiped off with acetone, and a conductive wire was attached using a silver-containing epoxy adhesive (T-700, manufactured by Toyo Ink Co., Ltd.). In order to prevent contact between the silver portion and water, an epoxy adhesive was used to insulate, and the first organic photoresponsive element was obtained.
(2)第2の有機光応答素子の材料として、n型有機半導体であるフラーレン(以下「C60」と表記する)及びp型有機半導体である無金属フタロシアニン(以下「H2Pc」と表記する)を用いた。本発明においては、それぞれ昇華精製したものを用いた。 (2) As materials for the second organic light-responsive element, fullerene (hereinafter referred to as “C 60 ”) which is an n-type organic semiconductor and metal-free phthalocyanine (hereinafter referred to as “H 2 Pc”) which is a p-type organic semiconductor. Used). In the present invention, those purified by sublimation were used.
第2の有機光応答素子の作製は真空蒸着法により行った。まず、インジウム−スズオキシド(ITO)で被覆された導電性透明ガラス基板(以下「ITO被覆ガラス基板」又は「ITO」と表記する)(旭硝子社製、抵抗8Ωcm−2;ガラスの透過率85%以上;インジウムスズオキシドの積層厚174nm)上に、H2Pcを約60nmの厚さで、次いでC60を約120nmの厚さで、H2Pc上に積層した。さらに、C60上に白金微粒子(以下「Pt」と表記する)を担持した。
The second organic photoresponsive element was produced by a vacuum deposition method. First, a conductive transparent glass substrate coated with indium-tin oxide (ITO) (hereinafter referred to as “ITO-coated glass substrate” or “ITO”) (Asahi Glass Co., Ltd.,
この第2の有機光応答素子を1cm×1.5cmに切り出した。そのうちの1cm×0.5cmに相当する部分をアセトンで拭き取り、銀含有エポキシ系接着剤(東洋インキ製造社製、T−700)を用いて導線を取り付けた。銀部位と水の接触を防ぐために、エポキシ系接着剤を用いて絶縁して、第2の有機光応答素子とした。 This second organic photoresponsive element was cut into 1 cm × 1.5 cm. A portion corresponding to 1 cm × 0.5 cm was wiped off with acetone, and a conductive wire was attached using a silver-containing epoxy adhesive (T-700, manufactured by Toyo Ink Co., Ltd.). In order to prevent contact between the silver part and water, an epoxy adhesive was used to insulate to form a second organic photoresponsive element.
(3)二室型の反応セルは、以下の方法で作製した。第1室に上記(1)で作製した第1の有機光応答素子を入れ、第2室に上記(2)で作製した第2の有機光応答素子を入れ、第1室の第1の有機光応答素子の電極基材と第2室の第2の有機光応答素子の電極基材とを導線で結び、両反応セルを塩橋で結んで、図3に示す二室型の反応セルを構成した。 (3) A two-chamber reaction cell was prepared by the following method. The first organic photoresponsive element prepared in (1) above is placed in the first chamber, the second organic photoresponsive element prepared in (2) above is placed in the second chamber, and the first organic photoresponsive element in the first chamber is placed. The two-chamber reaction cell shown in FIG. 3 is formed by connecting the electrode base material of the photoresponsive element and the electrode base material of the second organic photoresponsive element in the second chamber with a conducting wire, and connecting both reaction cells with a salt bridge. Configured.
上記二室型の反応セルを用い、まず第2室(還元反応室)の条件を固定し、第1室(酸化反応室)の条件を変えて、第2室で発生する水素発生量を比較し、最も有効な第1室の条件を検討した。 Using the above two-chamber reaction cell, first, the conditions of the second chamber (reduction reaction chamber) are fixed, the conditions of the first chamber (oxidation reaction chamber) are changed, and the amount of hydrogen generated in the second chamber is compared. The most effective conditions of the first chamber were examined.
第2室(還元反応室)は、電解質溶液としてリン酸水溶液(pH=2)を用い、ハロゲンランプによりPt側から、照射光量380mWcm−2で3時間照射した。ここでの電子受容剤は水又は水素イオンである。 In the second chamber (reduction reaction chamber), an aqueous phosphoric acid solution (pH = 2) was used as an electrolyte solution, and irradiation was performed for 3 hours from the Pt side with a halogen lamp at an irradiation light amount of 380 mWcm −2 . The electron acceptor here is water or hydrogen ion.
第1室(酸化反応室)は、電子供与剤として2−メルカプトエタノール(以下、単にチオールという場合もある)を用いるか否か(チオールの有無)と、光照射を行うか否かを組み合わせて行った。なお、2−メルカプトエタノールを用いた場合の溶液は、5mM 2−メルカプトエタノールを含む水酸化カリウム水溶液(pH=11)である。光照射を行う場合は、ハロゲンランプによりITO被覆ガラス基板側から、照射光量380mWcm−2で3時間照射した。その結果を表1に示す。 The first chamber (oxidation reaction chamber) uses a combination of whether or not 2-mercaptoethanol (hereinafter sometimes simply referred to as thiol) is used as an electron donor (whether or not thiol is used) and whether or not light irradiation is performed. went. In addition, the solution at the time of using 2-mercaptoethanol is potassium hydroxide aqueous solution (pH = 11) containing 5 mM 2-mercaptoethanol. In the case of performing light irradiation, irradiation was performed with a halogen lamp from the ITO-coated glass substrate side at an irradiation light amount of 380 mWcm −2 for 3 hours. The results are shown in Table 1.
表1の結果から、ITO/H2Pc/C60/Pt上での光誘起の水素発生反応は、チオールを含む水溶液中で、ITO/PTCBI/H2PcにITO側から光照射を行う条件が最も有効であることがわかる。 From the results in Table 1, the photo-induced hydrogen generation reaction on ITO / H 2 Pc / C 60 / Pt is a condition in which light is irradiated from the ITO side to ITO / PTCBI / H 2 Pc in an aqueous solution containing thiol. Is the most effective.
また、第1室において、電子供与剤である2−メルカプトエタノール(有機物)が、光照射により酸化されて分解していることがわかる。 Moreover, it turns out that 2-mercaptoethanol (organic substance) which is an electron donor is oxidized and decomposed | disassembled by light irradiation in the 1st chamber.
次に、上記二室型の反応セルを用い、第1室(酸化反応室)の条件を固定し、第2室(還元反応室)の条件を変えて、第2室で発生する水素発生量を比較し、最も有効な第1室の条件を検討した。 Next, by using the two-chamber type reaction cell, the conditions of the first chamber (oxidation reaction chamber) are fixed, the conditions of the second chamber (reduction reaction chamber) are changed, and the amount of hydrogen generated in the second chamber The most effective conditions for the first chamber were examined.
第1室(酸化反応室)は、電解質溶液として5mM 2−メルカプトエタノールを含む水酸化カリウム水溶液(pH=11)を用い、ハロゲンランプによりITO側から、照射光量380mWcm−2で3時間照射した。 In the first chamber (oxidation reaction chamber), an aqueous potassium hydroxide solution (pH = 11) containing 5 mM 2-mercaptoethanol was used as the electrolyte solution, and irradiation was performed for 3 hours from the ITO side with a halogen lamp at an irradiation light amount of 380 mWcm −2 .
第2室(還元反応室)は、有機光応答素子としてC60表面にPtを担持するか否かと、光照射を行うか否かを組み合わせて行った。ここでの電子受容剤も水又は水素イオンである。なお、光照射を行う場合は、ハロゲンランプによりPt側から、照射光量380mWcm−2で3時間照射した。その結果を表2に示す。 Second chamber (reduction reaction chamber) was performed in combination with whether load Pt on C 60 surface as an organic photoresponsive device, whether to perform the light irradiation. The electron acceptor here is also water or hydrogen ion. In addition, when performing light irradiation, it irradiated with the irradiation light quantity of 380 mWcm <-2 > for 3 hours from the Pt side with the halogen lamp. The results are shown in Table 2.
表2の結果から、ITO/H2Pc/C60のC60表面にPtを担持した条件で、光照射を施すと、効率的に水素が発生することがわかる。
The results in Table 2, the C 60 surface of the ITO /
さらに、第2室(還元反応室)の有機光応答素子としてC60を使用しない場合について、第2室で発生する水素発生量を比較した。 Furthermore, the amount of hydrogen generated in the second chamber was compared when C 60 was not used as the organic photoresponsive element in the second chamber (reduction reaction chamber).
第1室(酸化反応室)は、電解質溶液として5mM 2−メルカプトエタノールを含む水酸化カリウム水溶液(pH=11)を用い、ハロゲンランプによりITO側から、照射光量380mWcm−2で3時間照射した。 In the first chamber (oxidation reaction chamber), an aqueous potassium hydroxide solution (pH = 11) containing 5 mM 2-mercaptoethanol was used as the electrolyte solution, and irradiation was performed for 3 hours from the ITO side with a halogen lamp at an irradiation light amount of 380 mWcm −2 .
第2室(還元反応室)は、有機光応答素子としてC60を使用しないITO/H2PcにPtを担持するか否かと、光照射を行うか否かを組み合わせて行った。ここでの電子受容剤も水又は水素イオンである。なお、光照射を行う場合は、ハロゲンランプによりPt側から、照射光量380mWcm−2で3時間照射した。その結果を表3に示す。 The second chamber (reduction reaction chamber) was performed by combining whether or not Pt is supported on ITO / H 2 Pc that does not use C 60 as an organic photoresponsive element and whether or not light irradiation is performed. The electron acceptor here is also water or hydrogen ion. In addition, when performing light irradiation, it irradiated with the irradiation light quantity of 380 mWcm <-2 > for 3 hours from the Pt side with the halogen lamp. The results are shown in Table 3.
表3の結果から、H2Pc上にC60を積層していない素子を用いた場合は、いずれの条件でも効率的な水素発生は起こらなかった。これより、ITO/H2Pc/C60/Ptが、光誘起の水素発生に対して有効な素子であることが支持される。
From the results of Table 3, in the case of using an element that is not laminated C 60 onto
実施例2(有機光応答素子と金属電極とを備えた反応セルを用いた酸素発生)
(1)第1の有機光応答素子の材料として、n型半導体である3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシル−ビスベンズイミダゾール(以下「PTCBI」と表記する)及びp型半導体であるコバルトフタロシアニン(CoPc)を用いた。本発明においては、それぞれ昇華精製したものを用いた。
Example 2 (Oxygen generation using a reaction cell provided with an organic photoresponsive element and a metal electrode)
(1) As a material for the first organic light-responsive element, 3,4,9,10-perylenetetracarboxyl-bisbenzimidazole (hereinafter referred to as “PTCBI”) which is an n-type semiconductor and cobalt which is a p-type semiconductor Phthalocyanine (CoPc) was used. In the present invention, those purified by sublimation were used.
第1の有機光応答素子の作製は、真空蒸着法により行った。まず、ITO被覆ガラス基板(旭硝子社製、抵抗8Ωcm−2;ITO被覆ガラスの透過率85%以上;インジウムスズオキシドの積層厚174nm)上に、PTCBIを約160nmの厚さで、次いで、PTCBI上にCoPcを約90nmの厚さで積層した。
The first organic photoresponsive element was produced by a vacuum deposition method. First, on an ITO-coated glass substrate (Asahi Glass Co., Ltd.,
この第1の有機光応答素子を1cm×1.5cmに切り出した。そのうちの1cm×0.5cmに相当する部分をアセトンで拭き取り、銀含有エポキシ系接着剤(東洋インキ製造社製、T−700)を用いて導線を取り付けた。銀部位と水の接触を防ぐために、エポキシ系接着剤を用いて絶縁して、第1の有機光応答素子とした。 This first organic photoresponsive element was cut into 1 cm × 1.5 cm. A portion corresponding to 1 cm × 0.5 cm was wiped off with acetone, and a conductive wire was attached using a silver-containing epoxy adhesive (T-700, manufactured by Toyo Ink Co., Ltd.). In order to prevent contact between the silver portion and water, an epoxy adhesive was used to insulate, and the first organic photoresponsive element was obtained.
(2)二室型の反応セルは、以下の方法で作製した。第1室に上記(1)で作製した第1の有機光応答素子被覆電極を入れ、第2室に白金線を入れ、第1室の第1の有機光応答素子の電極基材と第2室の金属電極とを導線で結び、両反応セルを塩橋で結んで図4に示す二室型の反応セルを構成した。 (2) A two-chamber reaction cell was prepared by the following method. The first organic photoresponsive element-coated electrode prepared in (1) above is placed in the first chamber, the platinum wire is put in the second chamber, and the electrode base material of the first organic photoresponsive element in the first chamber and the second A two-chamber reaction cell shown in FIG. 4 was constructed by connecting the metal electrode of the chamber with a conducting wire and connecting both reaction cells with a salt bridge.
上記二室型の反応セルを用い、第1室(酸化反応室)及び第2室(還元反応室)の条件を変えて、第1室で発生する酸素発生量を比較し、最も有効な酸素発生条件を検討した。 Using the two-chamber type reaction cell, changing the conditions of the first chamber (oxidation reaction chamber) and the second chamber (reduction reaction chamber), and comparing the amount of oxygen generated in the first chamber, the most effective oxygen The occurrence conditions were examined.
第2室(還元反応室)の電子受容剤としてヘキサシアノ鉄(III)カリウム〔K3[Fe(CN)6]〕を用いるか否か(K3[Fe(CN)6]の有無)と、第1室(酸化反応室)における第1の有機光応答素子と、光照射を行うか否かを組み合わせて行った。 Whether or not hexacyanoiron (III) potassium [K 3 [Fe (CN) 6 ]] is used as the electron acceptor in the second chamber (reduction reaction chamber) (the presence or absence of K 3 [Fe (CN) 6 ]); The first organic photoresponsive element in the first chamber (oxidation reaction chamber) was combined with whether or not to perform light irradiation.
なお、第2室(還元反応室)において〔K3[Fe(CN)6]〕を用いた場合の溶液は、50mM K3[Fe(CN)6]を含む水酸化カリウム溶液(pH=11)である。第1室(酸化反応室)は、電解質溶液として水酸化カリウム水溶液(pH=11)を用いた。ここでの電子供与剤は、水又は水酸化物イオンである。光照射を行う場合は、ハロゲンランプによりITO被覆ガラス基板側から、照射光量600mWcm−2で3時間照射した。その結果を表4に示す。 The solution in the case of using [K 3 [Fe (CN) 6 ]] in the second chamber (reduction reaction chamber) is a potassium hydroxide solution containing 50 mM K 3 [Fe (CN) 6 ] (pH = 11). ). In the first chamber (oxidation reaction chamber), an aqueous potassium hydroxide solution (pH = 11) was used as the electrolyte solution. Here, the electron donor is water or hydroxide ions. In the case of performing light irradiation, irradiation was performed with a halogen lamp from the ITO-coated glass substrate side at an irradiation light amount of 600 mWcm −3 for 3 hours. The results are shown in Table 4.
表4の結果から、第1室において、光照射下で、有機光応答素子としてITO/PTCBI/CoPcを用い、第2室において、電子受容剤としてK3[Fe(CN)6]を用いた水溶液を用いた条件で、光誘起の酸素発生が効率的に起こることがわかる。 From the results of Table 4, ITO / PTCBI / CoPc was used as the organic photoresponsive element in the first chamber under light irradiation, and K 3 [Fe (CN) 6 ] was used as the electron acceptor in the second chamber. It can be seen that light-induced oxygen generation occurs efficiently under conditions using an aqueous solution.
Claims (14)
第1室は、第1の有機光応答素子が、電子供与剤を含む電解質溶液に浸漬されてなるものであって、該第1の有機光応答素子は、電極基材の表面に、n型有機半導体からなる第1層及びp型有機半導体からなる第2層が被覆されてなり、
第2室は、第2の有機光応答素子又は金属電極が、電子受容剤を含む電解質溶液に浸漬されてなるものであって、該第2の有機光応答素子は、電極基材の表面に、p型有機半導体からなる第1層及びn型有機半導体からなる第2層が被覆されてなり、該第2層の上にさらに遷移金属触媒が担持されていてもよく、
第1室と第2室とは、第1の有機光応答素子の電極基材と第2の有機光応答素子の電極基材又は金属電極とが導線により反応セルの外部で連結されるとともに反応セル同士が塩橋によって連結されている反応セル。 A reaction cell for an organic photoresponsive element having a two-chamber reaction cell composed of a first chamber and a second chamber,
The first chamber is formed by immersing the first organic photoresponsive element in an electrolyte solution containing an electron donor, and the first organic photoresponsive element is n-type on the surface of the electrode substrate. A first layer made of an organic semiconductor and a second layer made of a p-type organic semiconductor are coated,
The second chamber is formed by immersing the second organic photoresponsive element or the metal electrode in an electrolyte solution containing an electron acceptor, and the second organic photoresponsive element is formed on the surface of the electrode substrate. A first layer made of a p-type organic semiconductor and a second layer made of an n-type organic semiconductor may be coated, and a transition metal catalyst may be further supported on the second layer,
In the first chamber and the second chamber, the electrode base material of the first organic light responsive element and the electrode base material or metal electrode of the second organic light responsive element are connected to each other outside the reaction cell by a conductive wire and reacted. A reaction cell in which cells are connected by a salt bridge.
前記第2室が第2の有機光応答素子を備え、該第2の有機光応答素子が、電極基材の表面に、p型有機半導体からなる第1層及びn型有機半導体からなる第2層が被覆され、該第2層の上にさらに遷移金属触媒が担持されてなるものであり、電子受容剤が、水及び水素イオンからなる群から選択される少なくとも1種であり、
第1室と第2室とは、第1の有機光応答素子の電極基材と第2の有機光応答素子の電極基材とが導線により反応セルの外部で連結されるとともに塩橋によって反応セル同士が連結されている請求項1〜5のいずれかに記載の反応セル。 The electron donor in the first chamber is at least one selected from the group consisting of water, hydroxide ions, organic thiols, carboxylic acids, aldehydes, organic amines, ferrocyanide ions, and iron (II) ions. ,
The second chamber includes a second organic photoresponsive element, and the second organic photoresponsive element has a first layer made of a p-type organic semiconductor and a second layer made of an n-type organic semiconductor on the surface of the electrode substrate. A layer is coated, and a transition metal catalyst is further supported on the second layer, and the electron acceptor is at least one selected from the group consisting of water and hydrogen ions,
In the first chamber and the second chamber, the electrode base material of the first organic light responsive element and the electrode base material of the second organic light responsive element are connected to each other outside the reaction cell by a conductive wire and reacted by a salt bridge. The reaction cell according to claim 1, wherein the cells are connected to each other.
前記第2室が、金属電極を備えており、電子受容剤が、フェリシアン化物イオン、鉄(III)イオン、ペルオキソ二硫酸イオン及び酸素からなる群から選択される少なくとも1種であり、
第1室と第2室とは、第1の有機光応答素子の電極基材と金属電極とが導線により反応セルの外部で連結されるとともに塩橋によって反応セル同士が連結されている請求項1〜5のいずれかに記載の反応セル。 The electron donor in the first chamber is at least one selected from the group consisting of water and hydroxide ions;
The second chamber includes a metal electrode, and the electron acceptor is at least one selected from the group consisting of ferricyanide ions, iron (III) ions, peroxodisulfate ions, and oxygen,
The first chamber and the second chamber are configured such that the electrode base material and the metal electrode of the first organic photoresponsive element are connected to each other outside the reaction cell by a conductive wire and the reaction cells are connected by a salt bridge. The reaction cell in any one of 1-5.
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