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垂直配向ナノロッドとプロトン導電性ナノシートの接合による有機ガスの超高感度認識

Research Project

Project/Area Number 22KJ2508
Project/Area Number (Other) 21J20487 (2021-2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022)
Section国内
Review Section Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

愼改 豪  熊本大学, 自然科学教育部, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords半導体ガスセンサ / ZnOナノロッド / Pt担持ZnOナノ結晶 / DRIFTS測定 / DFT計算 / Operando分光測定 / 半導体式ガスセンサ / ガス応答メカニズム / ZnOナノワイヤ / ガスセンサ / 酸化亜鉛 / ナノ結晶 / ナノロッド
Outline of Research at the Start

これまで、半導体ガスセンサのガス応答メカニズムを報告した論文は多数発表されているが、微視的な表面化学についての理解は未だに不鮮明な点が多い。また、半導体ガスセンサにおける課題として、ガス選択性の向上や作動温度の低温化が挙げられる。本研究では典型的な半導体ガスセンサ材料である酸化亜鉛(ZnO)ベースの材料を作製し、ガス応答特性の向上及び、種々のオペランド測定を用いてそのガス応答メカニズムを明らかにする。さらに、資源的に制限のないカーボンからなるナノ材料(GOナノシート)と複合化させることで、高感度な室温作動型ガスセンサの開発を目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度はまず、ZnOナノロッドのエタノール検知特性を明らかにすることを目的として、種々の実験を行った。ZnOナノロッドのHAADF-STEM像より、ZnOナノロッドの主結晶面(主露出面)がm面(10-10)であることが明らかになった。また、吸着測定およびTPD測定の結果より、ZnOナノロッドとエタノールの親和性が、市販のZnOナノ結晶よりも高いことが示唆された。ガスセンシング測定の結果、ZnOナノロッドが市販のZnOナノ結晶と比較して、エタノールとアセトンに対して約2倍のセンサ応答を示した。In-situ DRIFTS測定結果より、エタノールの酢酸種への変換および吸着が、ZnOを用いたエタノール検出において重要な要素であることが示唆された。さらに、検出された各種吸着物がZnOの電気的特性に与える影響を、DFT計算を用いて調査した。その結果、アセトアルデヒドおよび酢酸種の生成および吸着が、ZnOの導電率を低下(センサ応答を向上)させる要因であることが明らかになった。本結果をまとめて論文投稿を行った。
次に、Pt担持ZnOナノ結晶のガス検知におけるPtと酸素種の影響を精査するため、N2中における各種Operando測定を実施した。これまで、半導体ガスセンサのガス検知において、材料表面の吸着酸素の消費が重要であるとされてきた。しかし、N2中におけるOperando DRIFTS測定の結果より、ZnOの格子酸素の消費が示唆された。材料の還元(格子酸素の消費)はPtの担持量が多いほど促進され、格子酸素の消費がZnOのガス検知において重要な要素であることが示唆された。さらに、エタノール燃焼の際の中間生成物であるアセトアルデヒドや水素も、ZnOの導電率の低下に寄与していることが明らかになった。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Ethanol sensing mechanism of ZnO nanorods revealed by DRIFT spectroscopy and DFT calculations2024

    • Author(s)
      Shinkai Takeshi、Agutaya Jonas Karl Christopher N.、Manna Biplab、Boepple Matthias、Iwai Masaru、Masumoto Keigo、Koga Kanako、Kawanami Koki、Nakamura Yusui、Quitain Armando T.、Suematsu Koichi、Inomata Yusuke、Barsan Nicolae、Kida Tetsuya
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry A

      Volume: 12 Issue: 13 Pages: 7564-7576

    • DOI

      10.1039/d3ta06486g

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Study on Sensing Mechanism of Volatile Organic Compounds Using Pt-Loaded ZnO Nanocrystals2022

    • Author(s)
      Shinkai Takeshi、Masumoto Keigo、Iwai Masaru、Inomata Yusuke、Kida Tetsuya
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 22 Issue: 16 Pages: 6277-6277

    • DOI

      10.3390/s22166277

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Study on Ethanol Sensing Mechanism of Pt-Loaded ZnO Nanocrystals2023

    • Author(s)
      Takeshi Shinkai
    • Organizer
      18th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] オペランド測定によるPt担持ZnOナノ結晶のエタノール検知メカニズムの検討2023

    • Author(s)
      愼改 豪
    • Organizer
      第60回化学関連支部合同九州大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Study of Ethanol Detection Mechanism of Pt-loaded ZnO Nanocrystals by Operando Measurements2023

    • Author(s)
      Takeshi Shinkai
    • Organizer
      1st International Conference on Sensor Technology (ICOMET2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ethanol Sensing Mechanism of ZnO Nanorods Revealed by DRIFTS Measurements and DFT Calculations2023

    • Author(s)
      Takeshi Shinkai
    • Organizer
      2nd Silpakorn International Conference on Total Art and Science 2023 (2nd SICTAS2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DRIFTS測定によるPt担持ZnOナノ結晶のエタノール検知メカニズムの解明2023

    • Author(s)
      愼改豪、増本圭吾、岩井大、猪股雄介、木田徹也
    • Organizer
      電気化学会第90回大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Volatile Organic Compound (VOC) Sensing Mechanism of ZnO Nanorod Gas Sensor2022

    • Author(s)
      愼改豪、古賀佳菜子、Matthias Boepple、川浪弘貴、中村有水、猪股雄介、Armando T. Quitain、Nicolae Barsan、木田徹也
    • Organizer
      The 5th International Union of Materials Research Societies International Conference of Young Researchers on Advanced Materials
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study on Ethanol Sensing Mechanism of Pt-Loaded ZnO Nanocrystals2022

    • Author(s)
      愼改豪、増本圭吾、岩井大、猪股雄介、木田徹也
    • Organizer
      The 5th International Conference On Materials and Metallurgical Engineering and Technology (ICOMMET) 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Study on VOC Detection Mechanism of ZnO Nanorods2022

    • Author(s)
      愼改豪、古賀佳菜子、Matthias Boepple、川浪弘貴、中村有水、猪股雄介、Armando T. Quitain、Nicolae Barsan、木田徹也
    • Organizer
      第60回セラミック基礎科学討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ZnOナノロッドのガス応答機構の解明2021

    • Author(s)
      愼改豪、古賀佳菜子、Matthias Boepple、川浪弘貴、中村有水、猪股雄介、Nicolae Barsan、木田徹也
    • Organizer
      第58回化学関連支部合同九州大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ZnOナノロッドのVOC検知特性と応答メカニズムの検討2021

    • Author(s)
      愼改豪、古賀佳菜子、Matthias Boepple、川浪弘貴、中村有水、猪股雄介、Nicolae Barsan、木田徹也
    • Organizer
      2021年電気化学秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ZnOナノロッドのガス応答機構の検討2021

    • Author(s)
      愼改豪、古賀佳菜子、Matthias Boepple、川浪弘貴、中村有水、猪股雄介、Nicolae Barsan、木田徹也
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] A Study on The VOC Detection Mechanism of ZnO Nanorods2021

    • Author(s)
      Takeshi Shinkai, Kanako Koga, Boepple Matthisa, Koki Kawanami, Yusui Nakamura, Yusuke Inomata, Armando T. Quitain, Nicolae Barsan, Tetsuya Kida
    • Organizer
      The 2nd International Conference on Engineering and Industrial Technology 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Study on The VOC Detection Mechanism of ZnO Nanorods2021

    • Author(s)
      Takeshi Shinkai, Kanako Koga, Boepple Matthisa, Koki Kawanami, Yusui Nakamura, Yusuke Inomata, Armando T. Quitain, Nicolae Barsan, Tetsuya Kida
    • Organizer
      PhD GOSPEL Workshop 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Study on The VOC Detection Mechanism of ZnO Nanorods2021

    • Author(s)
      Takeshi Shinkai, Kanako Koga, Boepple Matthisa, Koki Kawanami, Yusui Nakamura, Yusuke Inomata, Armando T. Quitain, Nicolae Barsan, Tetsuya Kida
    • Organizer
      PACIFICHEM 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] Research map

    • URL

      https://researchmap.jp/T_Shinkai

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-12-25  

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