ナノ粒子を用いる高感度な光学式水素センサの開発

使用纳米粒子开发高灵敏度光学氢传感器

基本信息

批准号：
21K04097
负责人：
関篤志
金额：
$ 1.75万
依托单位：
Soka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

表面に負電荷を帯びているタングステン酸微粒子（WO3μP）懸濁液と白金ナノ粒子（PtNP）懸濁液を混合し，ここに表面をアミノ化したヘテロコア光ファイバを浸した．静電相互作用により両微粒子が固定化された微粒子層部分をポリカチオン水溶液に浸すことにより，微粒子層表面にポリカチオン層を形成した．この操作を繰り返すことにより，ヘテロコア光ファイバ表面に微粒子層とポリカチオン層が交互に積層された膜を形成することにより水素センサを作製した．この水素センサをガラス容器中に置き，4％水素または空気を導入したときの伝搬光スペクトルを測定した．さらに4％水素から空気へ切り替えたときの応答特性についても検討した．微粒子層-ポリカチオン層の積層数が増加するにしたがって広い波長範囲で伝搬光強度は減少した．これはヘテロコア部に発生するエバネッセント波がWO3μPに吸収されたため，反射光強度が減少し，それにともない伝搬光強度が減少したためと考えられる．積層数が増加するにつれて膜厚とWO3μPの密度が増加するため，吸収されるエバネッセント波も増えるため，伝搬光強度が減少したと考えられる．4％水素雰囲気下および空気雰囲気下における伝搬光スペクトルを測定したところ，4％水素のほうが空気雰囲気下より伝搬光強度は増加した．水素雰囲気下においてWO3は水素と結合して濃青色のタングステンブロンズ（H2WO3）となる．水素雰囲気下における伝搬光強度の増加は，タングステンブロンズによるエバネッセント波の吸収がWO3によるものより小さいため，水素雰囲気下では空気雰囲気下より反射光強度が増加するため，伝搬光強度も増加したと考えられる．また積層数が増加するにしたがって，水素雰囲気下と気雰囲気下における伝搬光強度の差異は大きくなることが示された．すなわち，積層数の増加により高感度化が達成できることが示された．

将具有带负电荷的表面的钨酸细颗粒(WO3μP)的悬浮液和铂纳米颗粒(PtNP)的悬浮液混合，并将具有胺化表面的异芯光纤浸入该悬浮液中。通过将通过静电相互作用固定有两个粒子的粒子层的部分浸渍在聚阳离子水溶液中，在粒子层的表面上形成聚阳离子层。通过重复该操作，通过在异芯光纤的表面上形成其中细颗粒层和聚阳离子层交替层压的膜来制造氢传感器。将该氢传感器放置在玻璃容器中，并在引入4%的氢气或空气时测量传播光谱。我们还研究了从 4% 氢气切换到空气时的响应特性。随着堆叠的细颗粒层和聚阳离子层的数量增加，传播光强度在宽波长范围内降低。这被认为是因为异核中产生的倏逝波被WO3μP吸收，导致反射光强度降低，传播光强度相应降低。据认为，随着层压层数的增加，WO3μP的膜厚度和密度增加，因此吸收的倏逝波量也增加，导致传播光强度降低。当在4%氢气和空气气氛中测量传播光光谱时，4%氢气中的传播光强度高于空气中的传播光强度。在氢气气氛中，WO3与氢结合形成深蓝色钨青铜（H2WO3）。氢气气氛中传播光强度的增加被认为是因为钨青铜对倏逝波的吸收比WO3小，所以反射光强度在氢气气氛中比在空气气氛中增加，因此传播光强度增加。光强度也会增加。还表明，随着堆叠层数的增加，氢气气氛和空气气氛之间的传播光强度的差异增大。即，可知通过增加层叠数可以实现更高的灵敏度。