希土類ナノ結晶を用いた多機能アップコンバージョン光触媒の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H07375
• 研究機関: 兵庫医療大学
• 研究代表者: 川島 祥 兵庫医療大学, 薬学部, 助教 (60775724)
• 研究期間 (年度): 2016-08-26 – 2018-03-31
• キーワード: ナノ材料 / 希土類 / 光触媒 / アップコンバージョン

研究実績の概要

本研究では、生体透過性の高い近赤外光による光触媒反応を行うためのアップコンバージョン光触媒材料の開発を目指して、様々な希土類ナノ結晶を合成し、その光物性と光触媒活性の評価を行った。
希土類ナノ結晶の光触媒特性とアップコンバージョン特性を評価するために、まず様々な希土類元素（Ln）の錯体を作製し、オレイルアミンに加えて加熱することで希土類酸フッ化物（LnOF）ナノ結晶を合成した。合成したナノ結晶はXRDとTEMにより構造を評価した。
次に、水溶液中でクマリンを用いた光触媒活性の評価を行った。キセノンランプを用いて光照射を行い、一定時間ごとに溶液を採取して、溶液の組成を測定した。クマリンは光触媒反応で生成したOHラジカルと反応し、7-ヒドロキシクマリンを生成して青色発光を示す。その発光強度から生成量を算出することで光触媒能を評価した。光照射を行った結果、光照射に伴う生成物の濃度増加が観測され、光触媒反応が起きていることを観測した。これらの研究成果は国内学会にて発表を行った。
一方で、オレイルアミン中で合成したLnOFナノ結晶の表面は疎水的であり、水中での光触媒材料としては不向きであった。そのため、塩酸を用いて表面の親水処理を行った。その結果、LnOFナノ結晶は水中での分散性が大きく高まり、それとともに光触媒活性が向上するという結果が得られている。この成果を基に、希土類の種類や光物性と光触媒活性との関連を検討していく予定である。
同時に、アップコンバージョン特性を評価するために、YOFを母体として利用し、吸収体や発光体となる希土類イオン（NdやYbなど）をドープしたナノ結晶の合成を行った。吸収スペクトル測定の結果、Ndに由来した近赤外領域での吸収を観測した。これらの研究をさらに発展させてアップコンバージョン発光の検討を行い、さらにそれを用いた光触媒反応との複合化を行う予定である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

希土類ナノ結晶はY, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Ybの計13種類について合成を行い、結晶構造の同定を行った。また光触媒活性の評価を行った結果、希土類の元素ごとに差が生じていることを観測している。さらなる光触媒活性の向上と要因を検討するために親水化処理も行っており、その光触媒活性の検討も順調に進んでいる。
これらの光触媒についての研究と同時に、アップコンバージョンについて検討するためにドープナノ結晶の合成を行っており、その光物性も明らかになってきている段階である。これらの研究結果の進捗状況は、研究計画申請時の計画通りであり、研究はおおむね順調に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

今後は、これまで行ってきた光触媒活性の評価とアップコンバージョン特性の評価を引き続き行うとともに、来年度からはこれらの複合化についても検討し、近赤外光を用いて効率的な光触媒反応を行うことが可能なアップコンバージョン光触媒材料の実現を目指す。そのために希土類のドープの種類や量、コア-シェル構造などの構造制御を検討していく予定である。

研究成果

• [学会発表] 長波長光での光触媒分解を目指した希土類ナノ結晶の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 礒部陽佑、川島祥、梅田翔太、吉岡英斗、宮部豪人、甲谷繁
  • 学会等名: 日本薬学会第137年会
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2017-03-25 – 2017-03-27
• [学会発表] 汚染物質の光触媒分解を目指した疎水性mSiO2-TiO2の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 池内翔一、川島祥、岡澤志紀、山崎彩加、柳川知由喜、宮部豪人、甲谷繁
  • 学会等名: 日本薬学会第137年会
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2017-03-25 – 2017-03-27
• [学会発表] キラル阻害剤を用いた酸化チタン上での光触媒的水素化反応 (2017)
  • 著者名/発表者名: 増田史愛、堀江麻衣、川島祥、吉岡英斗、宮部豪人、甲谷繁
  • 学会等名: 日本薬学会第137年会
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2017-03-25 – 2017-03-27
• [学会発表] Preparation and photocatalytic properties of hydrophobic TiO2-SiO2 nano-hybrids (2016)
  • 著者名/発表者名: Akira Kawashima, Motoki Okazawa, Ayaka Yamasaki, Hideto Miyabe, Shigeru Kohtani
  • 学会等名: 2016年光化学討論会
  • 発表場所: 東京大学駒場第一キャンパス（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-09-06 – 2016-09-08