In situ spectroscopic observation of formation of photoluminescent nanocarbon and development of continuous synthesis

• Project/Area Number: 18K04808
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 27010:Transport phenomena and unit operations-related
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: Hiejima Yusuke 金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (10415789)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 発光ナノカーボン / ソルボサーマル合成 / ナノカーボン / 水熱合成 / in situ spectroscopy / hydrothermal synthesis / nanocarbon / solvothermal synthesis / フォトルミネッセンス / その場分光測定

Outline of Final Research Achievements

We have succeeded to synthesize photoluminescent nanocarbon with red emission by using solvothermal method in ethanol. It is found that the photoluminescent nanocarbon is formed through the following mechanisms. Condensation polymerizations between o-phenylenediamine and catechol leads to polymeric precursor with green emission, followed by elimination of small molecules and formation of nanocarbon with red emission. Further reaction results in loss of red emission, where the nitrogen atoms are included into heterocyclic polyaromatics analogous to pyridine.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、エタノールを溶媒としたソルボサーマル合成によって、赤色発光を示す発光ナノカーボンの合成に成功した。従来の発光ナノカーボン合成法では、長波長の発光を実現することが困難であったが、本手法では、反応温度および反応時間を最適化することで実現された。本研究成果により、青・緑・赤の三原色を発光ナノカーボンで実現することが可能となり、ディスプレイ等のカラー表示への応用が期待される。また、本手法は流通式反応器への展開が容易であり、反応温度や滞留時間による反応制御や大量合成も容易であると考えられる。

Research Products

• [Presentation] カーボンナノドットのソルボサーマル合成における発光色制御 (2020)
  • Author(s): 兼子穣, 比江嶋祐介, 新田晃平
  • Organizer: 化学工学会第85年会
• [Presentation] Color tuning of carbon nanodots with solvothermal synthesis (2019)
  • Author(s): J. Kaneko,Y. Hiejima, K.-H. Nitta
  • Organizer: 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カーボンナノドットのソルボサーマル合成における光学特性の溶媒効果 (2019)
  • Author(s): 酒井直希, 比江嶋祐介, 新田晃平
  • Organizer: 日本レオロジー学会中部支部第13回修士論文発表会
• [Presentation] ソルボサマール合成におけるフェニレンジアミン異性体を用いた発光ナノカーボンの発光色制御 (2019)
  • Author(s): 兼子穣, 比江嶋祐介, 新田晃平
  • Organizer: 化学工学会第84年会
• [Presentation] Solvent effects on solvothermal synthesis of photoluminescent carbon dots (2018)
  • Author(s): N. Sakai, Y. Hiejima, K.-H.Nitta
  • Organizer: 35th International Conference on Solution Chemistry (ICSC 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カーボンナノドットの光学特性の制御 (2018)
  • Author(s): 酒井直希, 比江嶋祐介, 新田晃平
  • Organizer: 化学工学会第50回秋季大会
• [Presentation] カーボンナノドットの水熱連続合成と構造解析 (2018)
  • Author(s): 酒井直希, 比江嶋祐介, 新田晃平
  • Organizer: 平成30年度高分子学会北陸支部研究発表会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 発光性ナノカーボン製造法 (2019)
  • Inventor(s): 比江嶋祐介, 兼子穣, 加藤博和, 伊左治忠之
  • Industrial Property Rights Holder: 比江嶋祐介, 兼子穣, 加藤博和, 伊左治忠之
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-171562
  • Filing Date: 2019