TOP > 研究報告検索 > 光化学的に構造制御したナノ複合機能材料の創製

光化学的に構造制御したナノ複合機能材料の創製

研究報告コード R070000041
整理番号 R070000041
掲載日 2008年4月11日
研究者
  • 鳥本 司
研究者所属機関
報告名称 光化学的に構造制御したナノ複合機能材料の創製
報告概要 半導体粒子は、その粒径がおよそ10nm以下にまで小さくなると、バルク結晶とは異なった物理化学特性を示すようになり、さらにその特性は粒径に依存して大きく変化する。これは、おもに量子サイズ効果にもとづく電子エネルギー構造の変化に由来し、バルク半導体で見られたエネルギーバンドの縮退が解けて軌道が離散化し、粒径の減少に伴って伝導帯下端の電位が負電位側に、価電子帯上端の電位が正電位側にシフトするとともに、半導体ナノ粒子のエネルギーギャップが増大する。このようなナノ粒子の特性を利用して、高活性な光触媒や新規オプトエレクトロニクス素子などの開発が行われている。ナノ粒子は、その体積に対する表面積の割合が極めて大きく、非常に凝集しやすい状態にあり、安定に存在させるためには何らかの工夫が必要である。これまでに様々なナノ粒子安定化法が開発されており、その1つとして、シリカや高分子などの化学的に安定な材料で粒子表面を均一に被覆し、コア・シェル構造体を形成させる方法がある。シェルは、コアであるナノ粒子どうしの凝集を防ぐための防護壁として働く。さらに、シェルの材料を適切に選択すれば、コア粒子の形状を保ったまま機能化することができ、コアあるいはシェルを単独で用いる場合とは異なる特性を発現させることが可能となる。一方、このようなコア・シェル構造粒子は、中空構造粒子を作製するための前駆体として有用である。熱処理あるいは化学エッチング処理によってコアのみを選択的に除去することにより、コアとほぼ同じサイズの空間をもつ中空粒子が作製できる。さらに、部分的にコアを除去することができれば、シェル内部に新たなナノ構造体を形成できると考えられ、コア・シェル構造体をさらに機能化することが可能となる。しかしながら、従来の手法では、ひとたび構造体を作製すると内部に存在するコア粒子のエッチング反応を精密に制御することは困難であり、均一な構造の粒子を得ることがむずかしい。我々は、光を用いる半導体ナノ粒子の粒径制御法として、サイズ選択的光エッチング法を開発した。この手法は、2つの現象に基づいている(図1)。1つは、半導体ナノ粒子の粒径が減少すると、量子サイズ効果によってエネルギーギャップが増大することであり(a)、もう1つは、金属カルコゲナイドなどの半導体が、溶存酸素存在下での光照射によって酸化溶解することである(b)。広い粒径分布を有する半導体ナノ粒子に、その吸収端の波長よりも短い波長の単色光を照射すると、粒径の大きな半導体ナノ粒子が選択的に光励起され、光酸化溶解が起こる。その結果、粒子サイズが減少するとともに、量子サイズ効果によりそのエネルギーギャップが増大する。この光酸化溶解反応は、エネルギーギャップの増大によって照射する単色光を吸収できないような小さなサイズの粒子になるまで進行し、エネルギー構造が均一、すなわち粒径が単分散なナノ粒子が生成する(c)これまでに、この方法を用いて、CdSナノ粒子を単分散化するとともにその粒径を精密に制御することに成功しており、照射単色光の波長を514から365nmの間で変化させれば、得られるCdSナノ粒子の粒子サイズを3.7から1.7nmの間で自在に制御することができる。さらに、サイズ選択的光エッチング法は、半導体粒子の光酸化溶解反応が進行すれば原理的に適用することが可能であり、半導体ナノ粒子の固定状態によらずそのサイズを制御することができる。そこで、本研究では、半導体ナノ粒子をコアとするコア・シェル構造体にサイズ選択的光エッチングを適用し、そのナノ構造の精密制御を行うことにより、新規ナノ複合材料(ジングルベル型構造体)を作製した。さらに、得られた複合体のナノ構造が、その光化学特性および光触媒活性におよぼす影響を明らかにするとともに、新規光機能材料としての応用を目指した。
画像

※ 画像をクリックすると拡大します。

R070000041_01SUM.gif R070000041_02SUM.gif R070000041_03SUM.gif R070000041_04SUM.gif R070000041_05SUM.gif R070000041_06SUM.gif R070000041_07SUM.gif R070000041_08SUM.gif R070000041_09SUM.gif R070000041_10SUM.gif R070000041_11SUM.gif R070000041_12SUM.gif
研究分野
  • 光化学一般
関連発表論文 (1) "Preparation of Novel Silica-Cadmium Sulfide Composite Nanoparticles having Adjustable Void Space by Size-Selective Photoetching",T. Torimoto,J. P. Reyes,K. Iwasaki,B. Pal,T. Shibayama,K. Sugawara,H. Takahashi,and B. Ohtani,J. Am. Chem. Soc., 125,316-317(2003).
(2) "Immobilization of Cadmium Sulfide Core-Silica Shell Nanoparticles Having Adjustable Void Space Between Core and Sehll", T. Torimoto,J. P. Reyes,S.-y. Murakami,B. Pal,B. Ohtani,J. Photochem. Photobiol. A. Chem., 160,69-76(2003).
(3) "Preparation and Characterization of Water-Soluble Jingle-Bell-Shaped Silica-Coated Cadmium Sulfide Nanoparticles", K. Iwasaki,T. Torimoto,T. Shibayama, H. Takahashi,and B. Ohtani, J. Phys. Chem. B, 108, 11946-11952(2004).
(4) "Size and Structure-dependent Photocatalytic Activity of Jingle-Bell-Shaped Silica-coated Cadmium Sulfide Nanoparticles for Methanol Dehydrogenation", B. Pal, T. Torimoto, K. Iwasaki,T. Shibayama, H. Takahashi,and B. Ohtani, J. Phys. Chem., 108,18670-18674(2004).
(5) "Synthesis of Metal-Cadmium Sulfide Nanocomposites Using Jingle-Bell-Shaped Core-Shell Photocatalyst Particles",B. Pal,T. Torimoto,K. Iwasaki,T. Shibayama, H. Takahashi,and B. Ohtani, J. Appl. Electrochem., in press.
(6) "Photocatalytic Preparation of Encapsulated Gold Nanoparticles by Jingle-Bell-Shaped Cadmium Sulfide-Silica Nanoparticles",B. Pal, T. Torimoto, S. Ikeda, T.Shibayama, K. Sugawara, H. Takahashi,and B. Ohtani, Top. Catal. accepted for publication.
(7) 「サイズ選択光エッチングによる半導体ナノ粒子の単分散化と光電気化学特性制御」,鳥本 司,化学工業,53,522-527(2002).
(8) 「単分散半導体ナノ粒子の光化学的調製と複合機能材料合成への応用」,鳥本 司,大谷文章;国武豊喜 監修,図解 高分子素材のすべて,工業調査会(印刷中).
(9) 「光化学的手法による半導体ナノ粒子の精密粒径制御」,鳥本 司,大谷文章;橋本和仁,大谷文章,工藤昭彦 監修,光触媒,エヌ・ティー・エス(印刷中).
(10) 「コア・シェル構造をもつ半導体ナノ粒子・シリカ複合体の光化学的構造制御」,鳥本 司,大谷文章;国武豊喜 監修,ナノマテリアルハンドブック,エヌ・テイー・エス(印刷中).
(11) "Preparation of Novel CdS/Silica Core/Shell Nanoparticles by Size-Selective Photoetching", T. Torimoto, J. P. Reyes, K. Iwasaki, and B. Ohtani, 14th International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy (IPS-14), 2002/8/4-9 (Sapporo), W6-P-8.
(12) "Nanosized "Jingle-bell" of Silica-Cadmium Sulfide Composite Nanoparticles Prepared by the Size-Selective Photoetching", T. Torimoto, J. P. Reyes, K. Iwasaki, B. Pal, T. Shibayama, K. Sugawara, H . Takahashi, and B. Ohtani, CRC International Symposium on Photochemistry@interfaces 2002/8/9-11 (Sapporo), RP1-6.
(13) "Immobilization of Jingle-bell-shaped Silica-coated Cadmium Sulfide Nanoparticles", S.-y. Murakami, T. Torimoto, J. P. Reyes, and B. Ohtani, CRC International Symposium on Photochemistry@interfaces 2002/8/9-11 (Sapporo), RP1-10.
(14) "Photoelectrochemical Properties of Silica-coated Cadmium Sulfide Nanoparticles Having Jingle-Bell Structure", K. Iwasaki, T. Torimoto, and B. Ohtani, CRC International Symposium on Photochemistry@interfaces 2002/8/9-11 (Sapporo), RP1-20.
(15) "Preparation of Silica-coated Cadmium Sulfide Particles Having a "Jingle-Bell" Nanostructure by the Size-Selective Photoetching", T. Torimoto, J. P. Reyes, K. Iwasaki, B. Pal, B. Ohtani, Asia NANO(2002), 2002/11/27-29 (Tokyo), 1P-32.
(16) "Preparation of Novel Silica -Coated Cadmium Sulfide Nanoparticles Having Adjustable Void Space by Size-Selective Photoetching", T. Torimoto, J. P. Reyes, K. Iwasaki, B. Pal, and B. Ohtani, The 225th ACS National Meeting, 2003/3/23-27 (New Orleans, LA), PHYS 426.
(17) "Photodeposition of Au Nanoparticles onto Silica-Coated CdS Nanocomposites of Core-Shell Structure Having Void Spaces", T. Torimoto, B. Pal, and B. Ohtani, 21st International Conference on Photochemistry (ICP21), 2003/7/26-31 (Nara), 5P190.
(18) "Preparation and Immobilization of Jingle-bell-shaped Silica-coated Cadmium Chalcogenide Nanoparticles" B. Ohtani and T. Torimoto, The 5th RIES-Hokudai Symposium on Advanced Nanoscience: 織[shoku], 2003/12/1-3 (Sapporo).
(19) "Photochemical Preparation and Characterization of Cadmium Selenide Core-Silica Shell Nanoparticles Having a Jingle-bell Structure" T. Torimoto, S. Murakami, and B. Ohtani, The 8th IUMRS International Conference on Advanced Materials (IUMRS-ICAM 2003) 2003/10/8-13 (Yokohama), B4-11-O06.
(20) "Photochemical Preparation of Jingle Bell-shaped Cadmium Selenide Core-Silica Shell Nanoparticles", T. Torimoto, S.-y. Murakami, K. Iwasaki, and B. Ohtani, 205th ECS Meeting, 2004/5/9-14 ( San Antonio, Texas ), 638.
(21) "Jingle-Bell-Shaped Core-Shell Nanoparticles: Dependence of Silica Shell Structure on Photochemical Properties of Cadmium Sulfide Cores", K. Iwasaki, T. Torimoto, and B. Ohtani, 15th International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy (IPS-15), 2004/7/4-9 (Paris), W5-O-10.
(22) "Photocatalytic Hydrogen Evolution Using Jingle-Bell-shaped Cadmium Sulfide Core-Silica Shell Nanoparticles", B. Pal, T. Torimoto, K. Iwasaki, and B. Ohtani, 2004 Joint International Meeting, 2004/10/3-8 (Honolulu, Hawaii), 1577.
(23) "Preparation of Silica-coated Cadmium Sulfide Nanoparticles Having Anisotropic Shapes and Their Photochemical Properties", M. Hashitani, T. Torimoto, and B. Ohtani, 2004 Joint international Meeting, 2004/10/3-8 (Honolulu Hawaii), 1542.
研究制度
  • 戦略的創造研究推進事業 さきがけタイプ(旧若手個人研究推進事業を含む)/光と制御
研究報告資料
  • 鳥本 司. 光化学的に構造制御したナノ複合機能材料の創製. さきがけライブ2004 ナノテクノロジー分野合同研究報告会 「光と制御」領域 講演要旨集(1期生)(研究期間2001-2004), 2005. p.2 - 13.
出願特許   特許 国際特許分類(IPC)
( 1 ) 科学技術振興機構, . 鳥本 司, 村上 伸也, 岩崎 健太郎, 大谷 文章, . コア・シェル構造体からなる光記録媒体及びその調製方法. 特開2005-074552. 2005-03-24
  • B82B   1/00     
  • B82B   3/00     
  • C01B  19/04     
  • G03C   1/72     
  • G06K  19/06     
( 2 ) 国立研究開発法人科学技術振興機構, . 鳥本 司, 大谷 文章, 岩崎 健太郎, . 内部に制御された空隙を有するコア・シェル構造体及びそれを構成要素とする構造体並びにこれらの調製方法. 特開2003-251599. 2003-09-09
  • B82B   1/00     
  • B82B   3/00     
  • C01G  11/02     
  • B01J  27/04     
( 3 ) 科学技術振興機構, . 鳥本 司, 大谷 文章, ボナマリ・パル, . コア・シェル構造体の調製方法. 特開2004-299011. 2004-10-28
  • B82B   1/00     
  • B01J  13/04     
  • B82B   3/00     
  • C01G  11/02     

PAGE TOP