2020 Fiscal Year Research-status Report
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19K05005
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
上田 太郎 長崎大学, 工学研究科, 助教 (10524928)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 康博 長崎大学, 工学研究科, 教授 (20150518)
兵頭 健生 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (70295096)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 固体電解質 / 安定化ジルコニア / ガスセンサ / 酸化セリウム / メチルメルカプタン / トルエン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体ガス中には極微量の揮発性有機化合物（VOC）が含まれており，これらの濃度が健康状態によって変化することが報告されている。そのため，VOCを高感度に検知可能なセンサの研究が広く行われている。
研究代表者らは，安定化ジルコニア（YSZ）基板の両面に酸化セリウム（CeO2）を添加したAu検知極とPt対極を取り付けた2隔室型の固体電解質型センサを作製し，そのトルエンに対するガス応答特性を評価している。昨年度は，塩化金，硝酸セリウムとポリビニルアルコールを溶解した前駆体溶液をYSZ基板に滴下し，3000 rpmでスピンコート後，熱処理することでnCeO2/Au(x)検知極（n: Auに対するCeO2添加量（wt%），x: 積層回数）を作製した。スピンコーティング回数を変化させることで，30～100 nmの間で膜厚を制御できること，CeO2添加量が8 wt%（n=8）の場合は，トルエン応答は検知極膜厚の減少とともに増加するのに対して，CeO2添加量が24 wt%（n= 24）の場合は膜厚の増加とともに増加すること，24CeO2/Au(15)センサは最大のトルエン応答を示すこと，を明らかにした。そこで本年度は，Auに対するCeO2添加量をさらに増やした検知極（n=24, 32, 50）を作製し，トルエン応答の作動温度や濃度依存性を評価することで，センサ応答特性のさらなる高性能化に必要な因子を明らかにすることを目的とした。作動温度が450℃と500℃のnCeO2/Au(15)センサのトルエン応答の濃度依存性を評価したところ，いずれのセンサもトルエン濃度の増加に伴って応答値が直線的に増加した。その中でも，24CeO2/Au(15)センサは応答値が最大であること，低い作動温度（450℃）でより良好な応答値を示すことがわかった。
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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
nCeO2/Au(15)センサ（n=24, 32, 50）の作動温度450℃におけるトルエンに対する応答曲線は，いずれも，ガスを空気から2.5 ppmトルエンに切り替えると起電力が負に大きくシフトし，トルエン濃度を大きくするとより大きく起電力が変化した。いずれのセンサも，50 ppmトルエンを流通後に合成空気を流したのち，再び同条件でトルエン応答特性を評価したが，1度目とほぼ同じ起電力値を示した。作動温度が450℃と500℃のnCeO2/Au(15)センサのトルエン応答の濃度依存性を評価したところ，いずれのセンサもトルエン濃度の増加に伴って応答値が直線的に増加した。その中で，24CeO2/Au(15)センサが最も応答値が大きいこと，低い作動温度 (450℃) でより良好な応答値を示すことを確認した。一方，n=32, 50の場合は，高い作動温度 (500℃) でより大きな応答値を示した。さらに，500℃の応答値の直線の傾き（感度）は，32CeO2/Au(15)センサが最も大きかった。
Au検知極へのCeO2の添加量を24wt%とすることで，トルエンに対する応答特性を大きく向上できた。CeO2はイオン導電性を示すため，AuにCeO2を添加すると検知極は電子と酸素イオンの混合導電体として機能する。トルエンの電気化学的な酸化反応は検知極とガスの界面でも進行するため，この新たな反応界面での電気化学反応がセンサ応答の向上に寄与した可能性が高い。電極全体でトルエンの電気化学的酸化を促進させることが，トルエン応答値の改善に重要であると考察するに至っている。ただし，CeO2の添加は検知極中のガス拡散過程で燃焼するトルエン量を増加させるので，トルエンの電気化学的な酸化反応に寄与できるトルエン量が減少すること（センサ応答の低下に影響）も考慮する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
電極反応界面の量がセンサ応答特性の向上に寄与するのか，という問いに答える研究成果はまだない。そこで今後は，電極反応界面の量と応答値の関係を体系的に研究することで，応答特性の改善とそのメカニズムを解明したい。具体的には，作製したセンサ素子の合成空気中での複素インピーダンス測定を行う。三相界面長さと相関性のある電極反応抵抗が得られるので，電極反応界面の量とセンサ応答値の関連性を明らかにする。
検知極は引き続き，塩化金と硝酸セリウムを含むコーティング溶液を用い，スピンコーディング法を用いて薄膜検知極を成膜する。また，作製したセンサ素子の湿潤雰囲気下で極低濃度（ppbレベル）のトルエンに対する応答特性を評価し，水蒸気共存下でのトルエン応答特性を更に改善することで，生体ガス中に存在するトルエンの高感度検知を実現可能なセンサの開発を目指す。
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| Causes of Carryover |
理由:水蒸気の共存がセンサ応答に与える影響を評価するためのガス流通系装置の改良を行う予定であったが，作製したセンサのトルエン濃度依存性を評価するための装置改良を行った。そのため，予算使用計画が変更されて，次年度に繰り越すこととなった。
今後の使用計画:検知極の合成に必要な試薬やガラス器具類，センサ素子作製に必要な貴金属や基材，センサ応答特性評価に必要なガス購入を行う。また，水蒸気の共存がセンサ応答に与える影響を評価するための装置改良に必要な物品購入を行う。さらに，研究動向についての調査研究，研究成果の外部への積極的な発信のための学会参加費としての使用を計画している。
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