| 研究課題/領域番号 |
26630498
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| 研究機関 | 東北工業大学 |
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研究代表者 |
佐藤 篤 東北工業大学, 工学部, 准教授 (00322686)
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| 研究分担者 |
丸尾 容子 東北工業大学, 工学部, 教授 (50545845)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | エネルギー生成 / レーザ / 光触媒 / 二酸化炭素 / 中赤外 |
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| 研究実績の概要 |
初年度は、当初の研究計画に従い、二酸化炭素励起実験のための波長2um帯中赤外レーザの開発を中心に研究を行った。レーザ結晶には、当初の計画通り、Tm,Ho:GdVO4を用い、レーザ設計に先立ち測定した吸収特性から、利得のピークが2049nmにあることを明らかにした。このデータをもとにレーザヘッド及び光共振器の設計を行い、端面励起型のレーザを構築した。最初の試作機では、励起用半導体レーザを1個とし、擬似連続発振動作においてピークパワーとして1.4Wを得た。目標出力の1Wを達成しているが、2年目以降の二酸化炭素励起実験において光源パワーに余裕を持たせるため、偏光子を利用したビーム合成用光学系を追加し、2個の半導体レーザによる励起モジュールを試作した。重ね合わされた2個の半導体レーザからのビームを用いてTm,Ho:GdVO4レーザを励起し、最終的にはピークパワー2.5Wの高出力中赤外レーザの開発に成功した。以上の試作・評価において、所望の性能が達成されたため、2年目以降の研究においてもTm,Ho:GdVO4レーザを採用することとした。また、初年度はメインの研究テーマには挙げていなかった光触媒の開発は、2年目に向けた準備として研究計画で目指していた二酸化炭素の還元物質であるメタン高効率生成触媒の合成及び性能評価を行った。触媒の基板粒子として耐性のある二酸化チタンを用い、金ナノ粒子を表面に分散させることでFT-IRで測定可能なメタンの発生を確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
初年度の最大の目標であったレーザ開発は、所望の出力を達成し、順調に進めることができた。ただし、2年目に実施予定の二酸化炭素の振動励起の有効性検証には問題ないが、現状では、デューティー比10%の擬似連続発振動作となっている。デューティー比は、レーザ結晶用ヒートシンクの改良により、向上させることが可能であるので、2年目の継続課題となっているレーザ構成の最適化の中で、効率が犠牲にならない範囲で改善していく。また、2年目に持ち越しとなった作業としては、Qスイッチ動作がある。これは、Qスイッチパルス化のために購入した過飽和吸収体の結晶品質が極めて悪く、パッシブQスイッチ動作の実験を行うことができなかったためである。しかしながら、現在は、音響光学素子によるアクティブQスイッチ動作により代用しており、出力特性上は問題ない。今後、高品質結晶が入手できた時点で、Qスイッチ素子を電源が不要なパッシブ方式に切り替える。これに付随して波長同調化実験が遅れたが、2年目の光触媒への照射実験は、市販光源(4.3um)を用いた実験からスタートする計画となっており、これも2年目に計画されているレーザ構成の最適化の範囲内でカバーできる見込みである。光触媒の性能に関しては、所有する評価系であるガス容器を用いたFT-IRを考えている。そのため通常の光源を用いた場合でも評価に十分なメタンを生成できる光還元触媒を用いる必要がある。溶液法で合成を行ったAuナノ粒子/TiO2（アナターゼ）系で効率の良いメタンの生成を確認できており、この系において実験を開始する予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究推進については、当初の計画通りに実施していく。2年目は、初年度に開発した波長2um中赤外レーザ光源の光触媒実験への導入準備から着手する。最初に、二酸化炭素ガスセルの吸収率測定が必要であり、この結果はレーザ設計にも大きく関わる。吸収率が低い場合は内部共振器型のマルチパス構成、吸収率が高い場合は外部共振器型のマルチパス構成が有効になると考えられ、これは計画通り、今年度内に明らかにする。この2umレーザ実験と並行して、波長4.3um中赤外光照射による光触媒反応の効率向上の検証を行う。ここで用いる4.3um光源は、本研究課題において開発した2um光源に比べ、ピークパワーが低いが、4.3um帯では二酸化炭素における高い吸収係数が利用できるため、中赤外照射による基礎データが取得できると見込んでいる。年度の後半には、以上の結果を踏まえて、波長2um中赤外レーザ光源による二酸化炭素の励起実験に移行する。また、年間を通して、光触媒実験の結果をフィードバックさせながらレーザの最適化を進めていく。 また光触媒においてはメタン生成効率の高い金ナノ粒子分散TiO2（アナターゼ）触媒を合成し、この系から実験を開始する予定であるが、触媒反応は表面反応であるため、レーザ励起が表面反応に及ぼす影響を評価し、最適な触媒を明らかにするために、ナノ粒子サイズをコントロールした触媒の合成、またTiO2（ルチル）若しくは特異的な表面構造を持つゾルゲル法によって合成したTiO2などの合成・性能評価をすすめ、結果をフィードバックしながら最適な触媒構造を明らかにして行く。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
レーザのQスイッチ動作実験が年度を越えて継続となり、購入予定だった一部の光学素子の仕様が決まらなかったため、次年度、実験結果が確認出来次第、購入することとした。
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度予算とあわせて、光学素子の購入に使用する。
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