光触媒による環境浄化や水素発生の高効率化に期待
工学研究院
佐々木 陽一 准教授 / 君塚 信夫 教授（現：ネガティブエミッションテクノロジー研究センター 特任教授)
ポイント
・フォトン・アップコンバージョン（UC）(※1) は可視光をより高エネルギーの紫外光へ変換できる技術であり、その実用化には固体材料の開発が不可欠。
・発光分子のsp3炭素(※2)を起点とした立体障害の精密設計により、固体状態において高い発光効率と高効率なエネルギー移動の両立に成功、可視光→紫外光への高い変換効率1.9%を達成。
・太陽光レベルの弱い光で駆動可能であることから、太陽光エネルギーを活用した光触媒反応（環境浄化や水素発生など）への応用に期待。
概要
フォトン・アップコンバージョンは、低エネルギーの光を高エネルギーの光へと変換する技術であり、可視光から紫外光を生成することが可能です。紫外光は、有害物質の分解や抗菌、水素発生などを担う光触媒反応の駆動に不可欠ですが、太陽光に含まれる紫外光の割合は非常に低いという問題があります。さらに、実用化にむけて固体型のフォトン・アップコンバージョン材料の開発が求められていますが、これまで可視光を紫外光へ高効率に変換可能な固体フォトン・アップコンバージョン材料は報告されておらず、その実現が強く期待されています。
今回、九州大学大学院工学研究院の君塚信夫教授（現 ネガティブエミッションテクノロジー研究センター特任教授）、佐々木陽一准教授、水上輝市特任助教（当時）、同大学院工学府の原田直幸大学院生（当時）、庄山隼斗大学院生、Nutnicha Boonmong大学院生、渡辺侑哉大学院生（当時）、分子科学研究所の江原正博教授（兼 総合研究大学院大学教授）、Pei Zhao特任助教らは、三重項－三重項消滅（TTA）(※3, 4) 機構によるフォトン・アップコンバージョンに着目し、固体状態において可視光から紫外光への高効率変換を実現する分子材料を見出しました。
本研究では、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(※5)を導入する新しい分子デザインを採用することで、固体状態において高い発光性と効率的な三重項エネルギー移動を両立することにはじめて成功しました。その結果、可視光から紫外光へのアップコンバージョンにおいて、高い変換効率1.9%（最大50%）を達成しました。さらに、本材料は地上に到達する太陽光レベル（数mW/cm2）の弱い光照射下でもアップコンバージョンを示し、紫外光を生成できることを確認しました。本成果は、固体フォトン・アップコンバージョン材料における新たな分子設計指針を提示するものであり、光触媒と組み合わせることで、太陽光エネルギーを活用した環境浄化や水素発生など、幅広い応用展開が期待されます。
本研究成果は、2026年6月23日（日本時間）に英国の国際学術誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました。
研究者（君塚信夫教授）からひとこと
10年以上にわたり取り組んできた自己組織化フォトン・アップコンバージョン研究の成果として、実用上重要な高効率固体UC材料の開発に至りました。本研究を支えてくれた学生およびスタッフの皆様に、心より感謝申し上げます。
用語解説
(※1) フォトン・アップコンバージョン（photon upconversion, UC）
低いエネルギーの光をより高いエネルギーの光に変換するための方法論。二光子吸収や希土類元素による多段階励起、三重項－三重項消滅などの機構が提唱されている。
(※2) sp３炭素 (sp3 carbon)
4つの異なる原子と単結合のみで結ばれている状態の炭素。結合した原子は正四面体型の構造を形成する。
(※3) 三重項－三重項消滅（triplet－triplet annihilation, TTA）
励起三重項状態（T1）の分子2つが衝突することで、一方のエネルギーが他方に移り、エネルギー的に高い励起状態の１分子が生成される過程。T1状態の２分子が持つエネルギー（2×ET1）が1つの分子の励起一重項状態（S1）の持つエネルギーより大きいとき（2×ET1 > ES1）、TTA後に発光性のS1状態が効率良く生成される。
TTAを起こす発光⾊素（アクセプター分⼦）とT1を効率的に⽣成する増感剤（ドナー分⼦）を組み合わせ、フォトン・アップコンバージョンを起こす⽅法をTTA-UCと呼ぶ。⼀般的なTTA-UCでは、まずドナーが光を吸収し、項間交差（intersystem crossing, ISC）を経て、ドナーのT1状態が⽣成される。その後、ドナーからアクセプターへの三重項エネルギー移動（triplet energy transfer, TET）により、アクセプターのT1状態が⽣成される。⼆分⼦のアクセプター（T1）が拡散・衝突してTTAを起こすことで、ドナーが吸収した光より⾼いエネルギーを持つアクセプターS1が⽣じ、最終的にフォトン・アップコンバージョン発光が得られる。ここで、TTA-UCは吸収した2光子から1光子を生成（発光）するため、フォトン・アップコンバージョン発光効率は最大で50%である。
(※4) 三重項（excited triplet state）
分子の状態のうち、スピン多重度2S+1=3となるような、スピン量子数S=1の状態（基底状態と励起状態の電子スピンが打ち消し合わない状態）を指す。励起三重項状態（T1）から基底一重項状態（S0）への遷移はスピン禁制であるため非常に遅く、近くの分子にエネルギーを受け渡すことができる。典型的な有機分子の三重項状態は非発光性であるが、TTAにより発光性の一重項状態（S1）に変換できる。
(※5) アルキル基 (alkyl group)
アルカン（単結合のみの炭化水素）から水素原子を1つ取り除いた残りの分子構造を指す。
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