| 研究課題/領域番号 |
21K04097
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21030:計測工学関連
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| 研究機関 | 創価大学 |
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研究代表者 |
関 篤志 創価大学, 理工学部, 教授 (70226629)
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| 研究分担者 |
渡辺 一弘 創価大学, 理工学部, 教授 (40240478)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2023年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円)
2022年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円)
2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
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| キーワード | ヘテロコ光ファイバ / 水素センサ / 酸化タングステン微粒子 / 白金ナノ粒子 / 交互積層法 / ヘテロコア光ファイバ / 低温調製 / 酸素センサ / 酸化タングステン / ナノ粒子 / 近接場光学 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では水素と結合することにより変色する酸化タングステンナノ粒子と，これと水素の結合・解離反応を触媒する白金ナノ粒子をヘテロコア光ファイバ表面に固定化することにより水素センサを作製する．
酸化タングステンナノ粒子はタングステン酸ナトリウムを陽イオン交換樹脂で処理することにより調製する．また白金ナノ粒子は塩化白金酸をクエン酸で還元することにより調製する．調製したナノ粒子をヘテロコア光ファイバ表面に固定化し，水素による酸化タングステンナノ粒子の変色をセンサ部近傍で生じるエバネッセント波を用いて検出し，これを伝搬光スペクトル変化として捉える光学的センサを開発し，その特性を検討する．
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| 研究実績の概要 |
酸化タングステン微粒子の水素による変色を指標とする光学的水素センサにおいては，水素の膜中での水素ガスの移動速度がセンサの応答特性に大きな影響を及ぼすと考えられる．すなわち，酸化タングステン微粒子と白金ナノ粒子の積層に用いるポリカチオンがセンサ特性に影響を及ぼすと考えられる．
そこで令和5年度は，酸化タングステン微粒子と白金ナノ粒子を固定化するポリカチオンが水素センサの応答特性に及ぼす影響について検討した．すなわちポリカチオンとして前年度に用いたポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドに加えてポリアリルアミン，ポリクオタニウム-11，ポリリシンを用いて酸化タングステン微粒子と白金ナノ粒子の3次元アッセンブリをヘテロコ光ファイバ表面に形成し，形成過程における伝搬光スペクトル変化および水素に対する伝搬光強度変化について検討した．
上記のポリカチオンを用いたときの積層過程における伝搬光スペクトル変化においては，いずれのポリカチオンにおいても積層過程数の増加にしたがって伝搬光強度は減少した．減少の程度は5層および10層積層した場合ではポリリシンが一番大きく，次いでポリクオタニウム-11，ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド，ポリアリルアミンの順となった．ポリリシンを10層積層した場合は，伝搬光損失が大きく水素に対する応答を検出できなかった．
水素に対する応答性について検討したところ，積層数が増えるにしたがって応答強度は大きくなったが，応答速度は遅くなった．15層積層した場合ではポリクオタニウム-11が一番遅く，ポリアリルアミンとポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドは同程度であった．ポリクオタニウム-11中では水素の拡散や移動が妨げられていること，あるいは生成した水素原子が酸化タングステン微粒子と結合する前に水素分子となることが考えられる．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
2024年3月に退職した同僚が担当していた科目を2024年度に新たに担当することになった．加えて，2024年4月に同僚が急死し，担当していたうちの1科目を急遽担当することになった．すなわち，新年度に新たに2科目を追加で担当することになった．これらの授業科目の資料の作成などの準備のため，実験を行う時間を思うように取れなかったため，研究進捗に遅れが生じている．そのため研究機関の延長を申請したところ受理された．
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度はポリカチオンの違いによるセンサ特性について検討し，水素環境下から空気環境に切り替えたときの応答速度の改善が課題の一つであることが示された．市販されている接触燃焼式のセンサにおいてはセンサ部とヒーターが一体化されており，これにより酸素と水素の接触燃焼反応をスムーズに進み，素早い応答が達成されている．すなわち，本ヘテロコア光ファイバ水素センサにおいて，センサ部にヒーター機能を付与することで特性が改善されると期待される．
近年，固体基板に高密度で固定化された金ナノ粒子にハロゲンランプの光を照射すると，基板温度が著しく上昇することが報告された．この現象を利用すれば光ファイバセンサへヒーター機能を組み込むことが可能ではないかとの着想に至った．
研究計画では今年度は発光ダイオードとフォトダイオードを用いて自動車へ搭載可能な小型水素センサシステムを作製することであったが，計画を変更して水素センサにヒーター機能を組み込むことによりセンサ特性の改善を目的として研究を行う．具体的には，ヘテロコ光ファイバの片側に水素感受性膜を形成し，反対側に金ナノ粒子を高密度に固定化した水素センサを作製し，ハロゲンランプを光源として伝搬光スペクトルの水素濃度依存性について検討する．ハロゲンランプからの光には可視光領域から近赤外領域までの波長の光が含まれている．水素に対する応答には波長600～700nm付近の伝搬光が使用され，ヒーター機能には近赤外領域の波長の光が使用される．この光学的ヒーター機能を有する水素センサの特性について検討する．
計画通りに研究が進まない場合は，本来の研究計画通りに小型計測システムの構築を行う．
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