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2023 年度 実績報告書

垂直配向ナノロッドとプロトン導電性ナノシートの接合による有機ガスの超高感度認識

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ2508
配分区分基金
研究機関熊本大学

研究代表者

愼改 豪  熊本大学, 自然科学教育部, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
キーワード半導体ガスセンサ / ZnOナノロッド / Pt担持ZnOナノ結晶 / DRIFTS測定 / DFT計算 / Operando分光測定
研究実績の概要

本年度はまず、ZnOナノロッドのエタノール検知特性を明らかにすることを目的として、種々の実験を行った。ZnOナノロッドのHAADF-STEM像より、ZnOナノロッドの主結晶面(主露出面)がm面(10-10)であることが明らかになった。また、吸着測定およびTPD測定の結果より、ZnOナノロッドとエタノールの親和性が、市販のZnOナノ結晶よりも高いことが示唆された。ガスセンシング測定の結果、ZnOナノロッドが市販のZnOナノ結晶と比較して、エタノールとアセトンに対して約2倍のセンサ応答を示した。In-situ DRIFTS測定結果より、エタノールの酢酸種への変換および吸着が、ZnOを用いたエタノール検出において重要な要素であることが示唆された。さらに、検出された各種吸着物がZnOの電気的特性に与える影響を、DFT計算を用いて調査した。その結果、アセトアルデヒドおよび酢酸種の生成および吸着が、ZnOの導電率を低下(センサ応答を向上)させる要因であることが明らかになった。本結果をまとめて論文投稿を行った。
次に、Pt担持ZnOナノ結晶のガス検知におけるPtと酸素種の影響を精査するため、N2中における各種Operando測定を実施した。これまで、半導体ガスセンサのガス検知において、材料表面の吸着酸素の消費が重要であるとされてきた。しかし、N2中におけるOperando DRIFTS測定の結果より、ZnOの格子酸素の消費が示唆された。材料の還元(格子酸素の消費)はPtの担持量が多いほど促進され、格子酸素の消費がZnOのガス検知において重要な要素であることが示唆された。さらに、エタノール燃焼の際の中間生成物であるアセトアルデヒドや水素も、ZnOの導電率の低下に寄与していることが明らかになった。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Ethanol sensing mechanism of ZnO nanorods revealed by DRIFT spectroscopy and DFT calculations2024

    • 著者名/発表者名
      Shinkai Takeshi、Agutaya Jonas Karl Christopher N.、Manna Biplab、Boepple Matthias、Iwai Masaru、Masumoto Keigo、Koga Kanako、Kawanami Koki、Nakamura Yusui、Quitain Armando T.、Suematsu Koichi、Inomata Yusuke、Barsan Nicolae、Kida Tetsuya
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 12 ページ: 7564~7576

    • DOI

      10.1039/D3TA06486G

    • 査読あり
  • [学会発表] Study on Ethanol Sensing Mechanism of Pt-Loaded ZnO Nanocrystals2023

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Shinkai
    • 学会等名
      18th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems
    • 国際学会
  • [学会発表] オペランド測定によるPt担持ZnOナノ結晶のエタノール検知メカニズムの検討2023

    • 著者名/発表者名
      愼改 豪
    • 学会等名
      第60回化学関連支部合同九州大会
  • [学会発表] Study of Ethanol Detection Mechanism of Pt-loaded ZnO Nanocrystals by Operando Measurements2023

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Shinkai
    • 学会等名
      1st International Conference on Sensor Technology (ICOMET2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Ethanol Sensing Mechanism of ZnO Nanorods Revealed by DRIFTS Measurements and DFT Calculations2023

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Shinkai
    • 学会等名
      2nd Silpakorn International Conference on Total Art and Science 2023 (2nd SICTAS2023)
    • 国際学会

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公開日: 2024-12-25  

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