2018 Fiscal Year Annual Research Report
A self-regenerable particulate matter sensor using active oxygen
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17H01895
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
日比野 高士 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (10238321)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 環境浄化 / 環境分析 / センシング / 触媒プロセス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
センサ感度の向上（性能）：2017年度では電極を電解質でコンポジット化して、電極全体を反応場にすることによって、感度の改善を可能にした。2018年度ではコンポジットに使用する電解質のサイズを変えることによって、電解質が微粒子であるほど、反応場を効果的に増大でき、感度を研究開始時に比べて２倍にすることに成功した。
希少元素の代替化・使用量低減（コスト）：センサの固体電解質に使用されている構成材料のうち、Inは高価な材料であるため、2017年度ではAlおよびMgでその代替化を検討した。2018年度では両者ともInと同様に電解質として十分機能できることが見出された。17、18年度を通して白金と電解質コンポジット化において、電解質が加わる分だけ白金使用量が低減することを見出し、本課題の目標は今回の研究で達成できたと判断した。
機械的強度の改善（寿命）：2017年度ではアルミナ基板表面に電解質薄膜を焼付けることで、その強度不足を解消した。2018年度では新たに電解質自体の高強度化を達成するため、多孔質SnO2焼結体を合成し、リン酸処理することで、頑丈な電解質を作製した。
センサ信号の高精度化（目的仕様の明確化）：2018年度ではセンサ信号を従来までのon-off仕様だけでなく全領域仕様に拡張した。その結果、カーボン量を0.01mg/cm2単位で検知することが可能になった。
センシング機構の解明（高機能化）：2017年度ではドープSnP2O7バルク・表面のプロトン挙動を１H MAS NMRによって観察し、ケミカルシフト値からドーパント種の違いによってプロトンと格子・表面酸素の相互作用が異なることを確認した。2018年度では同じく１H MAS NMRによって、プロトン緩和時間でもドーパント種の違いが見出され、プロトン運動性への影響を確認できた。
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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
センサ感度の向上（性能）：2018年度において、電極内で白金と電解質をコンポジット化することで、感度の劇的な改善をもたらしたが、まだカーボン燃焼の反応場解析が不十分であるため、期待したほどの感度向上にまで至っていない。その他、応用上重要なセンサのカーボン選択性評価（共存ガス効果）が進んでいない。
希少元素の代替化・使用量低減（コスト）：2018年度において、電解質に使用されているInの代替化に成功し、また電極における白金使用量の低減化にも成功した。機械的強度の改善（寿命）：多孔質SnO2のリン酸処理によって、SnP2O7が合成できることを見出したが、まだそのプロトン伝導性の正確な把握、また電解質としての可能性試験までには至っていない。
センサ信号の高精度化（目的仕様の明確化）：2018年度において、センサ信号の高精度化には成功したが、上記のようにセンサ素子がまだ完成していないので、それらに対応できるか調査していく必要がある。センサ信号の高精度化（エンジン評価法の確立）：電解質の水耐性チェックやカーボン燃焼の可視化を行ってきたが、電極やセンサ全体の耐久性試験、および実車でのセンシング測定までには至っていない。
センシング機構の解明（高機能化）：2018年度において、31P MAS NMRによりバルクと過剰量のリン酸の両方を区別することには成功したが、個別のピークの帰属、1H MAS NMRで観察されたピークとの関係など、固体NMRにおけるスペクトルの詳細、さらにそれらと導電率の挙動の関係についてはさらに検討を進める必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
PMセンサとして実用時に要求される仕様と昨年度までに達成した性能をまとめると、感度：要求される性能は4500μg m-2レベルのPM排出量であるが、現時点での性能は8000μg m-2レベルである。精度：実用センサではPM濃度に対して±5%の精度でなければならないが、現時点での精度はまだ±10%程度しか達していない。寿命：ディーゼル車の寿命（10万km）と同程度であることが必要である。現時点での寿命はまだ評価していないが、センサを構成する電解質が加圧成形体であることから、実用的な強度が不足していると予想される。コスト：車載センサの市場価格は5000円であるが、昨年度にセンサ素子での希少元素使用を不要化できたので、目標値を十分クリアできると考えられる。そこで、今年度は、性能面：感度と精度のさらなる向上、寿命面：電解質の高強度化、実用面：昨年度同様にセンサのシステム化、また、高機能化：昨年同様にセンシング機構の解明等を行っていく。
センサ感度の向上（性能）：電極内部の反応場を分光学及び電気化学的手法で解析し、またセンシング特性の詳細な測定を行い、高性能化（感度と選択性）のさらなる向上に努める。
機械的強度の改善（寿命）：合成したSnP2O7のプロトン伝導性を電気化学的手法で、またその組織を種々の構造解析手法で調査して、電解質材料としての可能性と実用性を明確にする。
センサ信号の高精度化（目標仕様の明確化・エンジン評価方法の確立）：研究進捗状況を見ながら、実車試験を通して両研究項目を順次進めていく。
センシング機構の解明（高機能化）：固体NMR法による解析に加え、新たに顕微ラマン、FT-IR、FT-NIRなどの赤外可視領域における分光法を組み合わせることで、センシング機構に関与する構成要素を明らかにして、センサの製造プロセスの信頼性のさらなる向上を図る。
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