| Project/Area Number |
23K23061
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| Project/Area Number (Other) |
22H01793 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
森本 幸裕 大阪大学, 産業科学研究所, 招へい教授 (80607218)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
関野 徹 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (20226658)
趙 成訓 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (50776135)
後藤 知代 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (60643682)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
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| Keywords | 光触媒 / 紫外光 / 可視光 / 抗菌 / 合成 / 酸化チタン / ハイブリッド構造 / 可視光励起 / チタニア / 有機物分解 |
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| Outline of Research at the Start |
太陽光や室内照明の様な広いスペクトル光を利用し抗菌に有効な活性酸素(ROS)を発生する酸化物系ハイブリッド型の光触媒創製および機能発現の機序解明を行う。その姿は端部が開いた異方形態core/shell構造をとり、shell部にチタニアをcore部には可視光応答半導体であるWO3を選びモデル検証する。
広波長利用効率を上げる重要な構造設計指針は、shellチタニアをナノチューブ構造としROS生成量を増大させること、低損失電子移動を実現するcore/shellヘテロ界面を確立することである。研究成果は、抗菌機能の設計だけでなく、水→水素生成やCO2還元用の長寿命光触媒への展開に資する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
居住空間にある広波長域に渡るスペクトル光を効率的に利用して動作するチタニア系ハイブリッド光触媒(ＰＣ)の創製研究を実施している。材料構成としては、コア部に可視光で励起される多結晶を配置しシェル部は熱的＋化学的に安定であり可視光を透過する結晶を用いて覆う形態である。初期モデルとしては、コア部にWO3結晶を、シェル部にはチタニアnano-tubeを配置し動作確認する予定であり、研究は、1)材料合成と材料評価、2)ＰＣ特性の評価、3)抗菌性など機能性の評価、の３つのパートから成る。初年度は、水熱合成法で得たhexagonalタングステン酸ナトリウム結晶(Na-WO3)に対して熱処理を施し、結晶変態させて得たmonoclinic相とtriclinic相の混晶は疑似太陽光下で良好にＰＣ動作することを確認した。
本年度は、この様にコア部に配置するNa-WO3系結晶が定まった状態においてシェル部に配置するチタニア膜の形成条件を検討し、ハイブリッド化させた粒子のナノ～マイクロ構造観察を行うことに並行し疑似太陽光で励起した場合のＰＣ特性をRhB分子の分解速度の高低で優劣評価をした。合成したハイブリッド材料の表面は完全にクラッド層のチタニアで覆われた外観であった。この材料のＰＣ特性評価を行い、本研究のNa-WO3混晶は可視光励起での動作特性は良いが紫外光に対しては低感度であるところ、シェル部のチタニア層が紫外光照射でＰＣ動作をして補うこと、コア部のNa-WO3混晶で可視光励起された電子と正孔は移動過程で減少しつつもシェル部表面に達してRhB分子の分解反応に寄与することを確認した。ＰＣ材料の単位重量当たりのRhB分子分解量で比較すると、ハイブリッド材料は、コア材料単体とシェル材料単体よりも５０％程度高い分解能力があることを把握した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ハイブリッド構造を作る上で重要なのが基板となるコア部材料の合成方法の確立であり、初年度に、太陽光スペクトルで励起される光触媒として質の高い材料が合成できていたので研究の展開がスムーズであった。そのお陰で、ハイブリッド化した材料は、それぞれ単体のコア、クラッド材料よりも性能が高いことを再現良く実証できた。
他方、これまでは初段として、太陽光スぺクトルに対する動作評価をしてきたが、室内光スぺクトルの照射下での光触媒特性評価ができるよう整備することもほぼ完了した。これで、室内環境での抗菌性試験を行うことが可能になった。また水→水素ガスの生成についても検討できる状態である。
この様に、最終年度で調べるべき「ハイブリッド化によって起こる反応の質向上」へ繋げられたので、概ね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
光触媒の励起に利用される可視光には、一般的な居住空間の場合は、太陽光スペクトルと室内照明白色LED光スペクトルがある。両者とも白色光と称されるがスペクトルは全く異なり、更には照度が２桁異なる。研究期間の２年目までは、ＰＣ性能に関してこの様な励起光との関係について調べていなかった。創製したハイブリッド材料が得意とする環境を調べておくことはアプリケーションを想定するには不可欠であり更なる性能向上ができればアプリケーションの幅が広がる。最終年度は、この様に実用化を念頭にした場合に付加すべき機能を抽出しながら、現状のハイブリッド材料の性能向上と機能評価を行う。
性能向上については、１）現状よりも広波長域で動作させることを目標に、コア材の可視光吸収特性を向上させるために、WO3を還元して構造欠陥を導入しcoloringすることにトライし、２）現状よりも表面でのＰＣ反応を増やすことを目標に、クラッド材の結晶性を失わせず表面積を広げて、反応活性点を１桁増やすことにトライする。
また、機能評価については、疑似太陽光と室内照明用ＬＥＤのそれぞれの照度を振りながら、ハイブリッド材料の素性を知る。ここで注目することは反応の効率と、反応の質である。前者を抗菌性の観点で評価し、屋外の太陽光下ではなく室内環境で必要とされる性能を発揮するための条件を導く。後者では、コア材料とクラッド材料の表面で起こる（電子による）還元反応の違いに注目する。クラッド表面の方が電子エネルギーが高くなるのでその効果により抗菌性能が変化するか、または水を分解し水素を発生させるには原理的には有利に働くので、その有効性を実証する。
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