2022 Fiscal Year Research-status Report
太陽光水素製造用の新しい無機アップコンバージョン材料の開発
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21K05230
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
佐俣 博章 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (90265554)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | アップコンバージョン / 波長変換 / 無機材料 / 水素製造 / 太陽光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、太陽光と光触媒を利用した水分解による水素製造システムで使用する、可視光を紫外光に変換する新しい無機材料の開発を目的としている。種々のホスト材料に対して機能性付与のための各種イオンを添加した多元系化合物を合成し、得られた試料の結晶学的性質を評価するとともに、そのアップコンバージョン（UC）特性を評価することで、より優れた特性を有する新材料の設計指針を得ることを目指している。これまでの主な成果として、以下が挙げられる。
酸化物Y4Al2O9, Gd2SiO5をホスト材料として、イッテルビウムイオン（Yb3+）とエルビウムイオン（Er3+）を共添加した化合物において、波長980 nmの励起光照射下の可視発光特性が、リチウムイオン（Li+）やナトリウムイオン（Na+）などのアルカリ金属イオンの添加によって大幅に改善することを明らかにした。
また、酸化物La2ZnTiO6 をホスト材料として、Yb3+とホルミウムイオン（Ho3+）、ネオジムイオン（Nd3+）を共添加した化合物において、波長808 nmの励起光照射下での可視発光を観測し、Nd3+の添加によって励起光波長域の拡張が可能になることを明らかにした。
さらに、酸化物Na5R4(SiO4)4F (R = Y, Gd) をホスト材料として、Yb3+とEr3+を共添加した化合物において、波長980 nmの励起光照射下の赤色発光が、マグネシウムイオン（Mg2+）やカルシウムイオン（Ca2+）などのアルカリ土類金属イオンの添加によって抑制可能であることを明らかにした。
ある種のUC蛍光体において、適切なイオンの共添加が、赤外光-可視光変換特性の大幅な改善や励起波長域の拡張、また特定の波長域の発光抑制を可能にすることを示したこれらの実験結果は、今後の効率的な紫外光生成を可能とする新材料開発において有益な成果であると考える。
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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
申請した研究計画調書において、初年度は、目的に沿った適切なホスト材料の決定を、２年度目はイオン添加型試料における最適組成の決定は目指すこととしていた。
これらの目標に対し、これまでに、Y2BaZnO5, Y4Al2O9, Y2Zr2O7, Gd2Zr2O7, Gd2SiO5, La2ZnTiO6, SrLaZnO3.5, SrBaZn2Ga2O7, Na5R4(SiO4)4F (R = Y, Gd), Na3Al2(PO4)2F3, Na5Al(PO4)2F2, KAlPO4Fなど様々な多元系酸化物とリン酸塩化合物をフラックス法、水熱法、ゾルゲル法、固相反応法などの手法によって合成し、それらの粉末X線回折のデータを用いたRietveld法によるシミュレーション解析によって、その結晶学的性質を決定した。また、これらのホスト材料に対し、機能性付与のための各種イオンを添加した単相試料の合成にも成功した。特に、リン酸塩化合物をホスト材料とした試料においては、水熱法による液相中合成によって、合成温度を130℃まで低温化することに成功し、物質合成の省エネルギー化を可能とする成果が得られた。
さらに、前述の研究実績の概要で述べたとおり、Y4Al2O9, Gd2SiO5, La2ZnTiO6やNa5R4(SiO4)4F (R = Y, Gd) などいくつかの酸化物ホスト材料に対し、適切なイオンを共添加した単相試料を合成し、合成した試料の結晶学的性質と光学的性質の評価によって、UC発光時の赤外光-可視光変換特性の大幅な改善や励起波長域の拡張効果、また特定の波長域の発光抑制効果を明らかにした。これらの実験結果は、今後、効率的な紫外光生成を実現する上で有益な成果と考える。
以上の結果を受けて、研究進捗状況については「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、太陽光と光触媒を利用した水分解による水素製造システムで使用する、可視光を紫外光に波長変換する新しい無機材料の設計指針を得ることを目的としている。
材料の波長変換特性は、使用するホスト材料と、そこに添加するイオンの種類と比率、置換される結晶学的サイトに依存して大きく変化することが知られている。そこで、これまでに検討した様々な多元系酸化物とリン酸塩化合物などのホスト材料に対し、機能性を付与するための賦活剤として様々な希土類イオンや遷移金属イオンを幅広い組成範囲で共添加した試料を合成し、その結晶学的・光学的性質の評価をとおして、各系における最適組成を決定してきた。
３年目（令和5年度）は、これまでに得られている上述の研究成果を基に、実用化のためのアップコンバージョン特性の評価を中心に研究を推進する。
合成した試料のアップコンバージョン特性の評価時には、光源としてソーラーシミュレータを用いて波長 380 nm 以下の紫外光への変換効率を中心に評価する。その際、太陽光程度の弱い光強度でのアップコンバージョンの発現を期待するが、それが実現できない場合にはレンズ集光した光を光源とした評価を行い、アップコンバージョンの発現と光源の光強度の関係を明らかにすることで実用化のために必要となる利用条件を明確にする。ここで、レンズ集光による温度上昇と長期間使用を前提として、化学的に安定な無機化合物をホストとして使用している利点についても検討する。
これらによって新しい無機波長変換材料を開発するとともに、より優れた特性を有する材料の設計指針を得ることを目指すとともに、波長変換型光触媒が太陽光を利用した水素製造にとって有効な手段となり得るかどうかを明らかにする。
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| Causes of Carryover |
研究計画調書における初年度の申請額に対して実際の交付額が減額されたことに対し、研究計画全体に支障が出ないようにするため、初年度に購入する旨申請していた物品（ソーラーシミュレータ一式）を次年度以降に購入するとともに、研究の進捗状況を考慮して意図的に次年度使用を生じさせた。なお、当該物品の購入時期を先送りすることについては、研究全体の遂行上大きな支障は出ないと判断している。
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Research Products
(2 results)
