Thermally Activated Wide-Gap Semiconductor Single Nanoparticles for Thermal Catalytic Function
| Project/Area Number |
23K23183
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| Project/Area Number (Other) |
22H01915 (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 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
川崎 英也 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (50322285)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 健 関西大学, システム理工学部, 教授 (10370173)
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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 |
¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
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| Keywords | 超音波キャビテーション / 熱触媒 / ワイドバンドギャップ半導体ナノ粒子 / 水素発生 / 有物分解 / 半導体ナノ粒子 / 超音波 / 有機物の完全分解反応 / 水の完全分解反応 / 超音波触媒 / ジルコニアナノ粒子 / 金ナノクラスター / 活性酸素 / 金属ナノクラスター / 光触媒 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、液体への超音波照射によって生じる高温・高圧（数千℃・数百気圧）キャビテーション気泡をワイドバンドギャップ半導体（ZrO2）ナノ粒子の熱触媒能を発現する熱励起場として活用する。熱励起された半導体ナノ粒子（熱活性化半導体ナノ粒子）の示す強力な酸化・還元力により、有機物の完全分解反応（無機化）と水の完全分解反応（水から水素と酸素を生成）を実現する。その結果、高温・高圧超音波キャビテーションを活用した「熱活性化半導体ナノ粒子の熱触媒」という新しい研究領域の構築が期待できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高温高圧の超音波キャビテーション気泡内で熱励起できる半導体シングルナノ粒子の粒子設計指針を明らかにし、半導体シングルナノ粒子の熱触媒機能を開拓することを目的としている。対象とするナノ粒子は、(1)金ナノクラスター(Au NCs)、及び(2)ジルコニア(ZrO2)ナノ粒子である。AuNCs系では、超音波照射下で発現するAuNCsの熱触媒活性による音増感作用(活性酸素種である一重項酸素、1O2生成)を調査した。Au NCsの1O2生成能における、1)配位子効果(pMBA-Au NPs < Au25(pMBA)18 < Au144(pMBA)60)、2)サイズ効果（Au25(SG)18 < Au25(capt)18 < Au25(pMBA)18）、及び3)超音波照射条件（超音波周波数（200kHz-1000 kHz）及び超音波パワー（1-8 W））の効果を明らかにした。特に、超音波照射条件では、高温高圧超音波キャビテーション気泡のエネルギーが大きい「450kHz」の条件において、AuNCsの熱触媒活性による音増感作用が最大となることが示された。ZrO2ナノ粒子においては、平均粒径80nm、20nm、及び5nmの粒径の異なる3種類のナノ粒子を合成し、その超音波照射下でのZrO2ナノ粒子の熱触媒活性で発現する水分解によるヒドロキシラジカル生成を調査した。その結果、ヒドロキシラジカル生成能は、（5nm）＞（20nm＞（80nm）となり、最も粒径が小さい半導体シングルナノ粒子が高い熱触媒活性能を示すことが明らかとなった。他方、紫外可視光照射によるZrO2ナノ粒子の光触媒活性によるヒドロキシラジカル生成では、ZrO2ナノ粒子（80nm）＞ZrO2ナノ粒子（20nm＞ZrO2シングルナノ粒子（5nm）となり、超音波照射下での熱励起とは異なる粒径依存性を示した。
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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
本年度の目標は、高温高圧超音波キャビテーション気泡内で熱励起され触媒能を示す半導体シングルナノ粒子の粒子設計指針を明らかにすることであった。この超音波キャビテーション気泡内での熱励起現象として、超音波照射下で起こる水中での金属イオンの炎色反応がある。これは「ナノサイズの液滴(ナノ液滴)」により、金属イオンが水中からキャビテーション気泡内に運ばれ、高温・高圧場で熱励起された金属が発光していると考えられている。この事実から、本研究ではシングルナノサイズレベルの小さいシングルナノ粒子(10nm以下)であれば、ナノ液滴によってシングルナノ粒子はキャビテーション気泡内に運ばれ、金属イオンと同様に水中で熱励起できると考えていた。本年度は、このシングルナノ粒子の重要性を検証することが目的となっていた。「研究実績の概要」で示すとおり、シングルナノ粒子(10nm以下)において、超音波照射下で発現する熱触媒活性が向上することを明らかにし、超音波誘起のる熱触媒ナノ粒子に関するサイズ及び配位子に関する粒子設計指針を示すことができた。更に、光照射による触媒特性とは異なる粒径依存性を示すことから、高温高圧超音波キャビテーション気泡による励起機構は、光励起とは異なる触媒発現機構が存在していることを示唆する結果も得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
熱活性化ZrO2ナノ粒子の熱触媒特性として、有機物完全分解反応を検討する。ZrO2はバンドギャップが5.0 eV (λ=248 nm)と非常に大きく、水を水素と酸素に完全分解できるほど、強力な酸化還元力を有するバンド構造を有している。ここでは、2022年度に熱励起のための粒子設計指針に基づき最適化されたZrO2ナノ粒子を用いる。高温高圧超音波キャビテーション気泡内で熱励起されたZrO2熱触媒作用による有機物の完全分解反応（無機化）を検証する。ZrO2ナノ粒子の熱触媒作用による有機物完全分解（無機ガス化）反応のモデル物質として、有機色素（メチレンブルー、メチルオレンジ）と内分泌かく乱物質（ビスフェノール A）の分解反応とその分解速度を調べる。ZrO2ナノ粒子の熱触媒特性を向上させる助触媒として白金( or 金)ナノクラスターをZr2Oナノ粒子に担持する。これにより熱励起で生成した励起電子と正孔の電荷分離を促進し、熱触媒活性の向上を図る。超音波キャビテーション気泡からの発光スペクトルを解析することで、熱励起で生成する励起電子・正孔数を決めるキャビテーション気泡内温度を見積もることも予定している。
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Report
(1 results)
Research Products
(15 results)
