2015 Fiscal Year Research-status Report
合金基板の簡易な熱処理による自己形成金属ナノ触媒の開発とグルコースセンサへの応用
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15K21399
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
山際 清史 東京理科大学, 理学部, 助教 (20711443)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | グルコースセンサ / カーボンナノチューブ / ナノ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、安価で汎用性に富む市販の合金基板表面に、穏和な熱処理により酸化物ナノ触媒層を自己形成させることで、既存の繁雑なプロセスに比べて遥かに簡易な新規の常圧触媒調製プロセスを開発し、自己形成触媒の(1)グルコース酸化能および(2)カーボンナノチューブ(CNT)の成長触媒能の発現を評価することを目的としている。
(1)について、市販各種基板を大気下または低酸素雰囲気下で熱処理することで表面酸化被膜(ナノ粒子層)の組成・厚さを制御し、そのグルコース酸化能を評価し、新規非酵素型グルコースセンサの開発を目指した。特に市販Mn含有合金を低酸素雰囲気下で熱処理することで表面にMn酸化物被膜(MnOxナノ粒子層)が自己形成・析出していることが示唆され、合金母材表面をMn酸化物触媒として機能化することに成功し、電気化学的に優れたグルコース酸化触媒能を発現することが示された。
(2)については、市販ステンレス鋼(Fe-Cr-Ni)基板の熱処理により基板中の金属種をCNT成長触媒として有効に利用した新規高純度CNT合成プロセスの確立を目指した。市販ステンレス鋼基板を大気下で熱処理することで表面にFe酸化物被膜(ナノ粒子)が選択的に析出することを見出し、申請者独自のCNT合成法である液相一段合成プロセスに取り入れることにより、基板表面に垂直方向にCNTが配向成長する高配向CNTの短時間の常圧合成に成功した。特に基板の熱処理温度や熱処理時間の違いにより、成長するCNTの密度や直径を制御することが可能となり、また炭素源のアルコール種を変更することによってもCNTの直径や長さを制御することが可能となった。
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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
平成27年度は特に、各合金基板の熱処理により基板種と条件の最適化を図った。Mn含有基板を用いたグルコース酸化触媒の創製については、より微細なMn酸化物(MnOx)ナノ粒子(層)をより均一に基板表面に自己形成させるための熱処理温度・雰囲気を最適化した。またステンレス鋼基板については、より微細かつ粒径の揃ったFe酸化物(Fe2O3)ナノ粒子を表面に生成させるための熱処理条件を最適化することにより、粒子径 30 nm程度の直径かつ形態の揃った粒子を表面に形成させることに成功し、結果として基板表面に生成するカーボンナノチューブ(CNT)の長さや直径を制御することを可能にし、研究はおおむね順調に進展していると考えられる。上記両基板系において熱処理基板のキャラクタリゼーションを詳細に行い、特に各基板表面を電子顕微鏡を用いて形態観察を行い、最表面部の詳しい酸化の状態をX線光電子分光法(XPS)やラマン分光法により解析し、析出機構の考察に繋げている。
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| Strategy for Future Research Activity |
Mn含有基板を用いたグルコースセンサの創製に関しては、グルコース検出の選択性を評価するなど、実用化を見据えた種々の測定を行う。また、例えば電解析出法により作製したMnO2の構造・表面形態・析出厚さを参考にし、Mn含有基板系における自己形成膜のさらなる触媒高活性化の設計指針を見出す。市販の酵素型グルコースアノードの研究とも各触媒活性(応答速度、感度、寿命など)を比較し、これらから、最終的に糖酸化触媒能の発現に関する統一的見解を得ることを最終目的とする。
ステンレス基板を用いたカーボンナノチューブ(CNT)の成長触媒に関する研究では、最適化した高配向・高純度多層CNTを、その配向形態を活かしつつ、センサ電極としての利用を予定している。一般的にCNTは、それぞれのCNTがファンデルワールス力または、副生成物の薄い炭素薄膜の被覆により密着しており、配向したまま電極材料に用いる場合、その高い表面積を有効に利用しているとは言い難い。例えば基板から剥離した配向CNTブロックを溶媒中で超音波を照射することで、CNT間の密着を適度にほぐし、さらにあらかじめマンガン系錯体を溶解しておくことで、CNT表面にMn酸化物ナノ粒子を高分散に担持する、新規のMn酸化物ナノ粒子/配向CNTコンポジットの創製を試み、グラッシーカーボン電極に固定することで、グルコースセンサとしての特性を評価する。上述のMn含有基板を用いたグルコースセンサとの性能の比較も予定している。
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| Causes of Carryover |
実験試薬や合金基板材料等の消耗品の消費量が、当初の想定と比較して多少少量であったため、その分の差額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度分として請求した助成金と合わせ、実験試薬等の消耗品および機器・備品の購入を計画している。
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