2014 Fiscal Year Research-status Report
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25620150
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
奥村 英之 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (80362573)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 不均一系光触媒反応 / 磁場効果(MFE) / 溶存酸素(DO) / OANSモデル / その場観察 / 温度依存性 / 再現性 / 磁場吸着 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
不均一系光触媒反応の磁場効果(MFE)は報告数が限定的で機構が未解明のうえ、多くはTiO2である。我々のグループは平成25年度まで、ZnO光触媒によるメチレンブルー水溶液分解を調査し，MFEは溶液静置時間、溶液濃度、溶存酸素(DO)濃度と状態、磁場強度に依存する事を明らかにした。
平成26年度は、MFEの温度依存性の他、ZnO表面状態(特にガス吸着)の影響を調べ、磁気吸着の関与が示唆された。さらに申請者らの提唱するOANSモデル、つまり不均一系の特徴である界面近傍では表面欠陥や分子吸着・濃度勾配等によりミクロな静電ポテンシャル擾乱が存在し、ヘルムホルツ層のような超短範囲の空間に磁束密度変化が生じ、常磁性DOが正味の力を受けMFEを発現する、というモデルの妥当性を検討した。DOはKinetic力(摩擦DragとForm Drag)を通して溶液流動(磁気対流)やミクロな拡散にも影響を与えうる。光触媒等電点と分子・イオン吸着は表面ポテンシャルに影響するが、DOは磁気吸着発現にも寄与しうる。
一方、酸化還元電位の関係から光触媒反応にDOが直接関与しないAg+還元のMFE調査も行った。その結果、銀還元率は磁場強度に対して曲線状に変化し、磁場中では平板状銀析出が見られ、所謂MHD効果が示唆された。ところが、硝酸銀溶液中のDO濃度によってMFEは明瞭に変化するため、MHD効果に対するDO影響も示唆される。
これまで得られた結果は、複数の効果・機構の関与が示唆されるものの、OANSモデルと整合する。基本的なMFE原理の解明は、光反応の向上だけでなく医学等他分野への応用も考えられ、科学や社会の発展に貢献できるものと考える。
[基調講演：第8回国際環境触媒学会(ICEC2014:米国NC州で8月開催)。Catalysis Today論文誌へ投稿(in press)](他2編論文執筆中)
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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26年度は、不均一系光触媒反応における磁場効果（MFE）研究の飛躍の年であったと言えるかもしれない。平成25年度までは、所属大学の耐震工事や新築工事による2度の立ち退き避難等のため、研究遅延が存在したが、その後は順調に研究が進展した。研究方針を少し変更し、MFEの機構解明に焦点を絞り、その影響因子の一つである溶存酸素(DO)を精力的に調査したのが功を奏したものと思われる。
不均一系反応には界面が存在し、数少ない過去の論文においてもいかに再現性の高いMFEを得るのが難しいか理解できる。同じTiO2を用いても全く異なるMFEも報告されている。本研究では磁場印加、LED照射、反応温度制御とMFEその場観察が同時に行えるシステムを設計し、誤差2％以内という高い再現性のMFEを達成出来た。これにより純粋なMFEを抽出し、複雑な多くの影響因子を一つずつ整理できる素地が整いつつある。その中で最も大きな発見・貢献は、不均一系光触媒反応では界面近傍DOがMFEに大きな影響を及ぼし、それを上記OANSモデルとして提唱できた事である、と考えている。
京都で開催された国際触媒学会TOCAT７（2014年6月）では海外研究者から共同研究申入れがあり(後述)、8月に米国(Asheville、NC州)で開催された第8回国際環境触媒学会(ICEC2014)においては基調講演を仰せつかる栄に浴した。さらに11月には第9回日本磁気科学会における講演、今年3月には応用物理学会および電気化学会においても講演を行った。また、Catalysis Today誌へ論文投稿(in press)も行った。(他2編論文執筆中)
以上を踏まえると、少なくともこの1年間の研究は順調といえる。本プロジェクトを俯瞰的に眺めても、興味深い研究成果が得られており、研究進展は順調であると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記研究は国際的にも関心を持たれており、ラトビア(リーガ・テクニカル大学)の研究者との共同研究に発展しつつある。試料や情報の交換を行い、弱い強磁性をもつ光触媒の磁場効果(MFE)を共同で調査し、その機構を解明すると共に、光触媒機能のさらなる向上やその他の応用可能性を探索する。
また、均一反応系においてMFE機構が交錯する(HFCM(超微細相互作用機構)とΔgM(Δg機構))とされる低磁場側を、新規購入のC型可変磁石[0－0.3T]を用いて調査し、不均一系光触媒反応におけるMFE機構と均一系反応のMFE機構との比較を行う。特に我々が提唱する不均一系OANSモデルとの関連性を調査して光触媒反応MFE機構の全容解明を目指す。
一方、これまで報告されてきたTiO2を用いたMFE研究との比較や、その他いくつか異なる光触媒(例BiOCl)等を用いてMFEの比較検討も行う。比較的大きな等電点を有するZnOによるMFEが他の光触媒と異なる場合、磁場吸着を中心にその違いの原因について調査する。また、酸素欠損の多いZnOは弱い強磁性を有する可能性が最近示されており、上記共同研究とも関連して、光触媒MFEとの関係性を検討する。
また、ZnOは光照射により若干自己溶解してZnが水溶液に微量溶出するとされているため、ICP(誘導結合プラズマ)分析により溶出したZn元素量を推算する。Znが溶出するとZnOの酸素がDOまたは気泡となるため、MFE機構にも関係する。特に光触媒的銀還元におけるMFEでは、生成したホールによる水の酸化とZnOの光分解による酸素発生との区別を行う必要がある。
最終的には、総合的観点から提唱する磁場効果メカニズムを検討するとともに、俯瞰的に、光反応の磁場による促進可能性について検討する。原理・機構を解明できれば様々な応用が考えられ、科学や社会への貢献が期待できる。
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| Causes of Carryover |
平成26年度は不均一系光触媒反応磁場効果(MFE)の研究にとって、飛躍の年となったが、平成25年度分の研究遅れは否めない。その理由として（１）所属機関の耐震改修と新規建設工事のため、研究装置が設置されていた居室から二度退避せざるを得なかった事、（２）獲得補助金減額により、購入できる装置や物品、全体の流れの見直しを行った事が挙げられる。
一方、磁場効果測定用C型磁石やガウスメータはデザイン変更等で安価に購入し、ESR測定に関しては分子研施設利用が承認された事も未使用額発生理由である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
温度制御やin-situ測定等により再現性の高い磁場効果(MFE)が確立され、購入した蛍光式酸素ブローブ等により溶存酸素の関与も明らかになった。よって残額はMFE機構解明に必要な消耗品購入および得られた知見の社会還元(学会発表等)に使用する予定である。消耗品には光触媒粉末、被分解物質、表面ポテンシャル測定用緩衝溶液等が含まれる。均一系とも比較し磁場吸着も絡めて不均一系MFE現象解明を目指す。
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