JP6376277B2 - Reaction state measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、反応状態測定装置に関する。 The present invention relates to a reaction state measuring apparatus.
従来、光化学反応の反応状態を測定することが行われている。例えば、光化学反応により生成又は分解した分子数を、反応で吸収された光子数で割ることにより、量子収率が求められて、光化学反応の反応状態の指標として用いられる。 Conventionally, the reaction state of a photochemical reaction has been measured. For example, by dividing the number of molecules generated or decomposed by the photochemical reaction by the number of photons absorbed by the reaction, the quantum yield is obtained and used as an indicator of the reaction state of the photochemical reaction.
光化学反応としては、光触媒を利用して太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換すること、いわゆる人工光合成技術の開発が行われている。人工光合成の変換効率を向上するためには、光触媒の活性を向上することが求められる。 As a photochemical reaction, a so-called artificial photosynthesis technique has been developed in which sunlight energy is converted into chemical energy using a photocatalyst. In order to improve the conversion efficiency of artificial photosynthesis, it is required to improve the activity of the photocatalyst.
光触媒の活性は、光化学反応の量子収率と、光触媒の光吸収効率との積に比例する。従って、光化学反応の量子収率又は光触媒の光吸収効率を向上することにより、光触媒の活性を向上して、人工光合成の変換効率を高めることができる。 The activity of the photocatalyst is proportional to the product of the quantum yield of the photochemical reaction and the light absorption efficiency of the photocatalyst. Therefore, by improving the quantum yield of the photochemical reaction or the light absorption efficiency of the photocatalyst, the activity of the photocatalyst can be improved and the conversion efficiency of artificial photosynthesis can be increased.
光化学反応の量子収率を向上する方法として、例えば、光触媒における材料欠陥を低減すること、又は光励起により発生した電子正孔対の再結合を抑止して、光触媒の電荷分離状態の寿命を増大することがある。 As a method for improving the quantum yield of the photochemical reaction, for example, reducing material defects in the photocatalyst or suppressing recombination of electron-hole pairs generated by photoexcitation to increase the lifetime of the charge separation state of the photocatalyst Sometimes.
また、光触媒の光吸収効率を向上する方法として、例えば、光触媒の新規な材料を見つけること、又は既存の光触媒の材料に対するバンドギャップエンジニアリングによる吸収波長域を拡大すること等が検討されている。 Further, as a method for improving the light absorption efficiency of the photocatalyst, for example, finding a new material of the photocatalyst or expanding the absorption wavelength region by band gap engineering for the existing photocatalyst material has been studied.
このように量子収率と光吸収効率とは、それぞれ、光触媒の異なる物性に依存しているので、本来は個別に評価して、各値の向上を進めることが望ましい。 As described above, since the quantum yield and the light absorption efficiency each depend on different physical properties of the photocatalyst, it is desirable to evaluate them individually and improve each value.
しかし、実際には、量子収率と光吸収効率とを合わせた「見かけの量子収率」を評価していることが多い。これは、量子収率の定義である「(光化学反応により生成又は分解した分子数)/(反応系に吸収された吸収光子数)」の分母である吸収光子数の測定が困難であるので、吸収光子数として、反応系へ照射した照射光子数を代用しているためである。 However, in practice, the “apparent quantum yield” that combines the quantum yield and the light absorption efficiency is often evaluated. This is because it is difficult to measure the number of absorbed photons, which is the denominator of “(number of molecules generated or decomposed by photochemical reaction) / (number of absorbed photons absorbed in the reaction system)”, which is the definition of quantum yield. This is because the number of photons irradiated to the reaction system is used as the number of absorbed photons.
反応系に吸収された吸収光子数は、原理的には、反応系へ照射した照射光子数から、即ち反応系へ入射した入射光子数から、反応系から漏洩する漏洩光子数、即ち反応系から放出される光子数を減ずることにより求められる。ここで、反応系へ入射した入射光子数の測定は比較的容易である。 In principle, the number of absorbed photons absorbed by the reaction system is derived from the number of photons irradiated to the reaction system, that is, the number of incident photons incident on the reaction system, and the number of leaked photons leaking from the reaction system, that is, from the reaction system. It is obtained by reducing the number of emitted photons. Here, the measurement of the number of incident photons incident on the reaction system is relatively easy.
反応系から漏洩する漏洩光子数を測定することは、反応系が、光の散乱が少ない透明な溶液である場合には、比較的容易である。具体的には、漏洩光子数は、溶液を透過した透過光子数を測定することにより求められる。 Measuring the number of leaked photons leaking from the reaction system is relatively easy when the reaction system is a transparent solution with little light scattering. Specifically, the number of leaked photons is obtained by measuring the number of transmitted photons that have passed through the solution.
一方、反応系が、光の散乱の多い懸濁溶液である場合には、反応系から漏洩する漏洩光子数を測定することは容易ではない。一般に、光触媒は、粉体又は薄膜の形態で、光化学反応の測定が行われる。懸濁溶液内に分散している光触媒の粒子は、光を散乱する。また、光触媒の薄膜の表面も、光を散乱する。反応系から周囲へ向かって拡散する散乱光を、正確に測定することは容易ではない。 On the other hand, when the reaction system is a suspension solution with much light scattering, it is not easy to measure the number of leaked photons leaking from the reaction system. In general, the photocatalyst is measured in the form of a powder or a thin film in a photochemical reaction. The photocatalytic particles dispersed in the suspension solution scatter light. The surface of the photocatalytic thin film also scatters light. It is not easy to accurately measure scattered light that diffuses from the reaction system to the surroundings.
このような反応系から周囲へ向かって拡散する散乱光を測定する手法として、積分球を用いることがある。中空の球体である積分球は、高い反射率で光を均等に拡散反射する内面を有する。積分球に対して、開口部を通して外部から光が入射される。開口部は、球体の内面の表面積に対して無視できる面積を有する。光は、球体の内面で多数回にわたり拡散反射する。最終的に球体の内面は、入射した光の強度に比例した均一な光強度で照明される。この光強度を測定して、入射した光の光子数を求めることができる。積分球は、無機又は有機発光ダイオード、若しくは、光励起発光又は蛍光の量子収率の測定に用いられている。 An integrating sphere may be used as a method for measuring scattered light diffused from the reaction system to the surroundings. The integrating sphere, which is a hollow sphere, has an inner surface that diffuses and reflects light uniformly with high reflectivity. Light is incident on the integrating sphere from the outside through the opening. The opening has a negligible area relative to the surface area of the inner surface of the sphere. Light is diffusely reflected many times on the inner surface of the sphere. Finally, the inner surface of the sphere is illuminated with a uniform light intensity proportional to the intensity of the incident light. By measuring the light intensity, the number of photons of the incident light can be obtained. Integrating spheres have been used to measure inorganic or organic light emitting diodes, or photoexcited luminescence or fluorescence quantum yields.
例えば、光触媒である粉体のチタニアが分散された懸濁溶液に対して光を照射し、積分球を用いて、ヒドロキシルラジカルの生成反応の量子収率を測定することが提案されている。この例では、懸濁溶液を収容する容器の厚さを薄くして、容器の側面から漏洩する漏洩光を無視できるようになされている。また、光を漏洩する容器の前面を積分球と密接させ、容器の後面を、容器側に光を反射する反射板と密接させて、容器の前面及び後面それぞれから漏洩する漏洩光を、1つの積分球で測定する。このようにして、反応系から漏洩する漏洩光子数が正確に測定される。 For example, it has been proposed to irradiate light to a suspended solution in which titania powder, which is a photocatalyst, is dispersed, and to measure the quantum yield of hydroxyl radical formation reaction using an integrating sphere. In this example, the thickness of the container containing the suspension solution is reduced so that the leaked light leaking from the side surface of the container can be ignored. Further, the front surface of the container that leaks light is brought into close contact with the integrating sphere, the rear surface of the container is brought into close contact with the reflecting plate that reflects light toward the container side, and leakage light leaking from each of the front and rear surfaces of the container is Measure with an integrating sphere. In this way, the number of leaked photons leaking from the reaction system is accurately measured.
また、「ブラックボディ反応器」を用いることにより、積分球を用いないで、光触媒の懸濁溶液である反応系の量子収率を測定することが提案されている。この例では、光源から反応系へ入射した光が、光源へ戻らない構造を有する光学素子が用いられる。この光学素子を、懸濁溶液中に浸漬させて、懸濁溶液の内部から外方に向けて光を照射する。懸濁溶液の粉体濃度を十分に高くしており、懸濁溶液内の光が懸濁溶液に吸収されて、光が外部へ漏洩しないようになされている。そのため、反応系へ入射した光の入射光子数は、反応系に吸収された吸収光子数とみなされる。また、懸濁溶液を収容する反応容器を十分に大きくして、懸濁溶液内の光が懸濁溶液に吸収されて、光が外部へ漏洩しないようにしてもよい。このようにして、反応系に吸収された吸収光子数が正確に測定される。 It has also been proposed to measure the quantum yield of a reaction system that is a suspension solution of a photocatalyst without using an integrating sphere by using a “black body reactor”. In this example, an optical element having a structure in which light incident on the reaction system from the light source does not return to the light source is used. This optical element is immersed in the suspension solution, and light is irradiated outward from the inside of the suspension solution. The powder concentration of the suspension solution is sufficiently high so that the light in the suspension solution is absorbed by the suspension solution and the light does not leak to the outside. Therefore, the number of incident photons of light incident on the reaction system is regarded as the number of absorbed photons absorbed by the reaction system. In addition, the reaction container that accommodates the suspension solution may be sufficiently large so that the light in the suspension solution is absorbed by the suspension solution and the light does not leak to the outside. In this way, the number of absorbed photons absorbed in the reaction system is accurately measured.
更に、「ブラックボディ反応器」を用いる例とは逆の考え方に基づいて、反応系の量子収率を測定することが提案されている。この例では、光触媒の懸濁溶液の粉体濃度を十分に低くし、光触媒の粒子による光の散乱を無視できるようにして、反応系へ入射した光の入射光子数と、懸濁溶液を透過した透過光子数との差が、反応系に吸収された吸収光子数とみなされる。このようにして、反応系に吸収された吸収光子数が正確に測定される。 Furthermore, it has been proposed to measure the quantum yield of the reaction system based on the idea opposite to the example using the “black body reactor”. In this example, the powder concentration of the suspension solution of photocatalyst is sufficiently low so that light scattering by the photocatalyst particles can be ignored, and the number of incident photons of light incident on the reaction system and the suspension solution are transmitted. The difference from the number of transmitted photons is regarded as the number of absorbed photons absorbed by the reaction system. In this way, the number of absorbed photons absorbed in the reaction system is accurately measured.
上述した反応系の量子収率を測定する例は、光触媒の懸濁溶液を用いた人工光合成の反応系、薄膜触媒を用いた反応系、光触媒を用いて汚染物質を分解する反応系、又は、エマルション等の懸濁溶液における光化学反応の反応系にも適用可能である。 Examples of measuring the quantum yield of the reaction system described above include an artificial photosynthesis reaction system using a suspension solution of a photocatalyst, a reaction system using a thin film catalyst, a reaction system that decomposes pollutants using a photocatalyst, or The present invention can also be applied to a reaction system of a photochemical reaction in a suspension solution such as an emulsion.
積分球を用いて反応系の量子収率を測定する手法では、通常、懸濁溶液を収容する反応容器を積分球内に配置し、反応容器から漏洩する漏洩光を測定することになるが、反応容器を積分球の内部に配置することは容易ではない。また、積分球内に配置された反応容器内の懸濁溶液を撹拌することは困難である。更に、積分球内に配置された反応容器内の光化学反応における反応物又は生成物を、リアルタイムで測定することも困難である。 In the method of measuring the quantum yield of the reaction system using an integrating sphere, the reaction vessel that contains the suspension solution is usually placed in the integrating sphere, and the leaked light leaking from the reaction vessel is measured. It is not easy to place the reaction vessel inside the integrating sphere. Moreover, it is difficult to stir the suspension solution in the reaction vessel disposed in the integrating sphere. Furthermore, it is difficult to measure in real time the reactants or products in the photochemical reaction in the reaction vessel disposed in the integrating sphere.
また、他の量子収率を測定する手法では、光触媒の懸濁溶液の粉体濃度に対する制限、又は反応容器の寸法に対する制限が存在する。 In other methods for measuring quantum yield, there are limitations on the powder concentration of the suspension solution of the photocatalyst or limitations on the dimensions of the reaction vessel.
本明細書では、光化学反応系に吸収された吸収光量を容易に測定し、反応で吸収された吸収光の利用効率を求める反応状態測定装置を提供することを課題とする。 It is an object of the present specification to provide a reaction state measuring apparatus that easily measures the amount of light absorbed by a photochemical reaction system and obtains the utilization efficiency of absorbed light absorbed by the reaction.
本明細書に開示する反応状態測定装置の一形態によれば、反応容器と、上記反応容器を透過可能な光を、上記反応容器内に照射する光照射部と、上記反応容器を囲むように配置され、上記反応容器の内部から外部へ上記反応容器を透過した光を吸収する光吸収部と、上記反応容器の外部に配置され、上記光照射部が上記反応容器内に光を照射する第1方向及び上記第1方向とは異なる第2方向に向かって、上記反応容器の内部から外部へ上記反応容器を透過した光を検出する複数の光センサと、上記反応容器内の反応状態を測定する反応状態測定部と、上記光照射部が上記反応容器内に照射した照射光量を測定する照射光量測定部と、上記複数の光センサが出力する信号に基づいて、上記反応容器の内部から外部へ上記反応容器を透過して、上記反応容器から漏洩した漏洩光量を測定する漏洩光量測定部と、上記照射光量と上記漏洩光量との差と、上記反応状態測定部が測定した上記反応容器内の反応状態とに基づいて、反応で吸収された吸収光の利用効率を算出する反応状態算出部と、を備える。 According to one aspect of the reaction state measuring device disclosed in the present specification, a reaction container, a light irradiation unit that irradiates the reaction container with light that can be transmitted through the reaction container, and the reaction container are surrounded. A light absorbing part that is disposed and absorbs light that has passed through the reaction container from the inside to the outside of the reaction container; and a light absorbing part that is disposed outside the reaction container, and the light irradiation part irradiates light into the reaction container. A plurality of optical sensors for detecting light transmitted through the reaction vessel from the inside of the reaction vessel to the outside in one direction and a second direction different from the first direction, and measuring a reaction state in the reaction vessel The reaction state measuring unit, the irradiation light amount measuring unit for measuring the irradiation light amount irradiated into the reaction container by the light irradiation unit, and the signal output from the plurality of photosensors from the inside of the reaction container to the outside Through the reaction vessel, Based on the leakage light quantity measurement unit that measures the leakage light quantity leaked from the reaction container, the difference between the irradiation light quantity and the leakage light quantity, and the reaction state in the reaction container measured by the reaction state measurement part A reaction state calculation unit that calculates the utilization efficiency of the absorbed light absorbed in step (b).
本明細書に開示する反応状態測定装置の他の一形態によれば、複数の貫通孔を有する反応容器と、上記反応容器が吸収可能な光を、上記反応容器内に照射する光照射部と、上記反応容器の外部に配置され、上記光照射部が上記反応容器内に光を照射する第1方向及び上記第1方向とは異なる第2方向に向かって、上記反応容器の内部から外部へ、上記複数の貫通孔を通過した光を検出する複数の光センサと、上記反応容器内の反応状態を測定する反応状態測定部と、上記光照射部が上記反応容器内に照射した照射光量を測定する照射光量測定部と、上記複数の光センサが出力する信号に基づいて、上記反応容器の内部から外部へ、上記複数の貫通孔を通過して、上記反応容器から漏洩した漏洩光量を測定する漏洩光量測定部と、上記照射光量と上記漏洩光量との差と、上記反応状態測定部が測定した上記反応容器内の反応状態とに基づいて、反応で吸収された吸収光の利用効率を算出する反応状態算出部と、を備える。 According to another aspect of the reaction state measuring device disclosed in the present specification, a reaction container having a plurality of through holes, and a light irradiation unit that irradiates the reaction container with light that can be absorbed by the reaction container. And from the inside of the reaction container to the outside in a first direction in which the light irradiation unit irradiates light into the reaction container and a second direction different from the first direction. A plurality of optical sensors that detect light that has passed through the plurality of through holes, a reaction state measurement unit that measures a reaction state in the reaction container, and an amount of light irradiated by the light irradiation unit in the reaction container. Based on signals output from the irradiation light quantity measuring unit to be measured and the plurality of optical sensors, the amount of light leaked from the reaction container through the plurality of through holes from the inside of the reaction container to the outside is measured. Leakage light quantity measurement unit and the above irradiation light quantity Comprises a difference between the leakage light amount, based on the reaction conditions of the above reaction condition measuring unit the reaction vessel was measured, and the reaction condition calculating unit that calculates a use efficiency of the absorbed absorbed light in the reaction, the.
上述した本明細書に開示する反応状態測定装置の一形態又は他の一形態によれば、光化学反応系に吸収された吸収光量を容易に測定し、反応で吸収された吸収光の利用効率が得られる。 According to one aspect or the other aspect of the reaction state measuring device disclosed in the present specification described above, the amount of absorbed light absorbed by the photochemical reaction system is easily measured, and the utilization efficiency of the absorbed light absorbed by the reaction is improved. can get.
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。 The objects and advantages of the invention will be realized and obtained by means of the elements and combinations particularly pointed out in the appended claims.
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。 Both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention as claimed.
以下、本明細書で開示する反応状態測定装置の好ましい第1実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。 Hereinafter, a preferred first embodiment of a reaction state measuring apparatus disclosed in the present specification will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof.
図1は、本明細書に開示する第1実施形態の反応状態測定装置を示す図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a reaction state measurement apparatus according to a first embodiment disclosed in this specification.
本実施形態の反応状態測定装置10(以下、単に装置10ともいう)は、反応容器11内の光化学反応系に吸収された光量である吸収光量(例えば吸収光子数)と、反応容器11内の反応状態(例えば、反応物又は生成物の量)とに基づいて、反応で吸収された吸収光の利用効率(例えば量子収率)を算出する。
The reaction state measuring apparatus 10 (hereinafter also simply referred to as the apparatus 10) of the present embodiment includes an absorbed light amount (for example, the number of absorbed photons) that is a light amount absorbed by the photochemical reaction system in the
具体的には、装置10は、光触媒の粉体が水に分散された懸濁溶液である反応溶液Rに対して、光触媒中の電子を励起させる励起光を照射し、光触媒の触媒作用を用いて水を分解する。また、装置10は、水の分解反応に吸収された吸収光子数を測定し、この吸収光子数及び分解により生成された生成物の分子数に基づいて、水の分解反応の量子収率を算出する。
Specifically, the
装置10は、反応容器11と、光照射部12と、光吸収部13と、複数の光センサ14と、反応状態測定部15と、照射光量測定部としての照射光子数測定部16と、漏洩光量測定部としての漏洩光子数測定部17と、反応状態算出部18を備える。
The
反応容器11は、反応溶液Rを収容する。反応容器11の形状は、対称性を有することが好ましい。本実施形態の反応容器11は、中空の球体の形状を有する。球体の形状を有する反応容器11は、球体の中心を通る対称軸Sに対する軸対称性と、対称軸Sを通る対称面に対する面対称性を有する。反応容器11の対称性に基づいて、反応容器11の内部は、光量分布(例えば、光強度分布又は光エネルギー分布)が等価な複数の領域に分割され得る。
The
反応容器11の形成材料としては、例えば、石英、合成石英等を用いることができる。
As a material for forming the
反応容器11内では、光照射部12によって励起光Lを照射された光触媒中の電子が励起され、光触媒の触媒作用により、反応物である水分子が、生成物である酸素分子と水素分子とに分解する分解反応が生じる。
In the
反応容器11は、連結部15aを介して、反応状態測定部15と接続する。光化学反応により生成した生成物は、連結部15aを通って、反応状態測定部15へ移動する。
The
光照射部12は、反応容器11を透過可能な励起光Lを、反応容器11内へ照射する。光照射部12から出力された励起光Lは、反応容器11を透過して、反応溶液R内に分散している光触媒の粒子を照射し、光触媒中の電子を励起させる。光触媒の粒子によって散乱された励起光Lは、反応溶液Rに拡散する。反応容器11内の励起光Lの対称性を得る観点から、光照射部12は、球体の反応容器11の中心を通る対称軸Sに沿って、反応容器11の中心に向けて、励起光Lを反応容器11内に照射することが好ましい。
The
光照射部12は、反応容器11内へ向けて照射した励起光Lの一部をサンプリングするためのビームスプリッタ12aを有する。ビームスプリッタ12aは、光照射部12から出力された励起光Lの一部を、光センサ16aへ向けて反射する。光センサ16aは、受光した励起光の光強度を検出し、検出した光強度を、信号線16bを介して、照射光子数測定部16へ出力する。
The
照射光子数測定部16は、光センサ16aが出力した光強度に基づいて、光照射部12が反応容器11内に照射した照射光子数を測定する。
The irradiation photon
また、照射光子数測定部16は、反応容器11に対して照射された光の総エネルギーである照射光エネルギーを測定してもよい。本明細書では、光量は、光子数及び光エネルギーを含む意味である。照射光子数測定部16は、光照射部12が反応容器11内に照射した照射光量を測定するようにしてもよい。
Further, the irradiation photon
光吸収部13は、反応容器11を囲むように配置され、反応容器11の内部から外部へ向かって、反応容器11を透過した励起光Lを吸収する。光吸収部13は、球体の形状を有する反応容器11の形状に対応して、球体の形状を有する。光吸収部13は、光照射部12が照射した励起光Lを通過させる部分と、連結部15aが反応状態測定部15へ向かって延びる部分とに、開口部を有する。光吸収部13の形成材料は、励起光の波長に応じて適宜選択される。光吸収部13の形成材料として、例えば、炭素を用いることができる。
The
光照射部12から反応容器11の中心に向かって照射された励起光Lの一部は、光照射部12が反応容器11内に励起光Lを照射する入射方向に向かって進み、反応容器11の内部から外部へ向かって、反応容器11の壁面を透過する。反応容器11の壁面を透過した励起光Lは、光吸収部13により吸収されて、反応容器11へ反射することが防止される。
Part of the excitation light L irradiated from the
また、光照射部12から反応容器11の中心に向かって照射された励起光Lの一部は、反応溶液R内に分散している光触媒の粒子によって散乱されて、入射方向とは異なる他の方向に向かって進む。光触媒の粒子によって散乱された励起光Lの一部は、反応容器11の内部から外部へ向かって、反応容器11の壁面を透過する。この反応容器11の壁面を透過した励起光Lも、光吸収部13により吸収されて、反応容器11へ反射することが防止される。
Further, part of the excitation light L irradiated from the
このように、反応容器11は、光吸収部13に囲まれているので、反応容器11の内部から外部へ透過した励起光Lが、再び反応容器11へ戻ることが防止されるため、漏洩光子数の測定精度が高められる。
As described above, since the
複数の光センサ14は、反応容器11の外部に配置され、反応容器11の内部から外部へ向かって反応容器11を透過した光を検出する。複数の光センサ14は、光吸収部13の反応容器11側の面に配置される。複数の光センサ14は、反応容器11の内部から外部へ向かって反応容器11を透過した光の光強度を検出し、検出した光強度を、信号線14aを介して、漏洩光子数測定部17へ出力する。光センサ14としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
The plurality of
漏洩光子数測定部17は、複数の光センサ14が検出した光の光強度に基づいて、反応容器11から漏洩した漏洩光子数を測定する。
The leaked photon
装置10の反応容器11は、上述したように、反応容器11の対称性に基づいて、反応容器11の内部の光強度分布が等価な複数の領域を有する。複数の光センサ14は、複数の領域の内の一の領域の外部に配置される。
As described above, the
具体的には、反応容器11は、球体の形状を有するので、反応容器11の中心を通る一の面で反応容器11を仮想的に切断することにより、面対称な2つの半球の領域が得られる。図1に示す例では、反応容器11は、上側の半球の領域と、下側の半球の領域とを有する。装置10では、複数の光センサ14は、反応容器11の下側の半球の領域の外部に配置される。反応容器11の下側の半球の領域は、更に、複数の小領域(図示せず)に分割されていて、各小領域に対して一つの光センサ14が配置される。一の光センサ14が検出する光強度は、この小領域を透過する光の光強度を代表する。また、複数の光センサ14それぞれの相対感度は、事前に調べられている。
Specifically, since the
漏洩光子数測定部17は、複数の光センサ14それぞれからの光強度を入力し、各光センサ14からの光強度に対して各光センサ14の相対感度を補正する。漏洩光子数測定部17は、補正された各光センサ14からの光強度を積算し、反応容器11から漏洩した光子数を求める。
The leaked photon
通常、各光センサ14が検出する光強度の分布は、極端なピーク又はノッチを有さないので、センサ間の光強度は、直線補間を用いて求められる。
Normally, the light intensity distribution detected by each
また、漏洩光子数測定部17は、反応容器11から漏洩した光の総エネルギーである漏洩光エネルギーを測定してもよい。漏洩光子数測定部17は、反応容器11から漏洩した漏洩光量を測定するようにしてもよい。
Further, the leaked photon
複数の光センサ14は、反応容器11の下側の半球の領域の外側に配置されるが、反応容器11の形状の対称性を利用して、反応容器11の上側の半球の領域から漏洩する光強度が求められる。具体的には、反応容器11の上側の半球の領域から漏洩する光子数は、反応容器11の下側の半球の領域から漏洩する光子数と同じであると見なされる。従って、漏洩光子数測定部17は、反応容器11の下側の半球の領域から漏洩する光子数を2倍にして、反応容器11の全体から漏洩する漏洩光子数を求める。漏洩光子数測定部17は、求めた漏洩光子数を、照射光子数測定部16へ出力する。
The plurality of
装置10では、複数の光センサ14は、反応容器11の内部の光量分布としての光強度分布が等価な2つの半球の領域の内の下側の半球の領域の外側に配置されており、光センサは、上側の半球の領域の外側には配置されてない。ここで、反応容器11から漏洩した光の一部が、再度、反応容器11内に戻ると、反応容器11の内部の光強度分布が局所的に変化するので、上側の半球の領域における光強度分布と、下側の半球の領域における光強度分布が等価でなくなるおそれが生じる。そこで、装置10では、光吸収部13を、反応容器11を囲むように配置して、反応容器11の内部から外部へ向かって、反応容器11を透過した励起光Lを吸収する。そして、反応容器11の内部から外部へ透過した励起光Lが、再び反応容器11へ戻ることが防止される。そのため、上側の半球の領域における光強度分布と、下側の半球の領域における光強度分布とが等価であることが保証される。
In the
照射光子数測定部16は、光照射部12が反応容器11内へ照射した照射光子数と、照射光子数測定部16から入力した漏洩光子数との差である、反応溶液Rに吸収された吸収光子数を、反応状態算出部18へ出力する。
The irradiation photon
なお、上述した説明では、各光センサ14の相対感度を事前に調べておいて、相対感度を用いて各光強度を補正していた。これとは別な方法を用いてもよい。例えば、反応容器11内に励起光を吸収しない較正サンプルを収容して、この較正サンプルに励起光を照射し、既知の入射光子数と漏洩した光子数とに基づいて補正係数を決定し、この補正係数を用いて、反応容器11から漏洩した漏洩光子数を求めてもよい。
In the above description, the relative sensitivity of each
反応状態測定部15は、反応容器R内の反応状態を測定する。反応容器Rにおいて、反応物から生成した生成物は、連結部15aを通って、反応状態測定部15へ移動する。反応状態測定部15は、生成物を測定して、反応容器R内の反応状態を調べる。
The reaction
装置10では、反応容器R内の反応状態として、反応物である水分子が光化学反応により分解して生成した水素分子及び酸素分子の量が、反応状態測定部15によって測定される。水素分子及び酸素分子の量は、例えば、ガスクロマトグラフ質量分析器を用いて測定される。反応状態測定部15は、反応容器R内の反応状態としての水素分子及び酸素分子の量を、反応状態算出部18へ出力する。
In the
反応状態算出部18は、照射光子数測定部16から入力した吸収光子数と、反応状態測定部15が測定した反応容器11内の反応状態との関係を算出する。装置10では、反応状態算出部18は、照射光子数測定部16から入力した吸収光子数と、水素分子及び酸素分子の量とに基づいて、光化学反応の量子収率を算出する。
The reaction
反応状態算出部18は、表示部18aと、記憶部18bを有する。反応状態算出部18は、算出した量子収率を、記憶部18bに記憶すると共に、表示部18aに表示する。
The reaction
また、反応状態算出部18は、照射光量と漏洩光量との差(吸収光量)と、反応状態測定部15が測定した反応容器11内の反応状態とに基づいて、反応で吸収された吸収光の利用効率を算出するようにしてもよい。
Further, the reaction
本明細書では、吸収光の利用効率は、量子収率、又は、模擬太陽光源などの広帯域な励起光源を用いた場合の総吸収エネルギーと生成物に蓄積された総エネルギー(自由エネルギー変化)との比率、等を含む意味である。 In this specification, the utilization efficiency of the absorbed light is the quantum yield or the total absorbed energy when using a broadband excitation light source such as a simulated solar light source and the total energy (free energy change) accumulated in the product. It is meant to include the ratio of
上述した本実施形態の装置10によれば、光化学反応系に吸収された吸収光子数を容易に測定し、反応で吸収された吸収光の利用効率である量子収率を得ることができる。
According to the
また、装置10によれば、反応容器11の対称性を利用して、複数の光センサ14を配置することにより、測定に使用する光センサの数を減らすことができる。
Moreover, according to the
次に、上述した反応状態測定装置の他の実施形態を、図2〜図9を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第1実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。 Next, another embodiment of the reaction state measuring apparatus described above will be described below with reference to FIGS. For points that are not particularly described in the other embodiments, the description in detail regarding the first embodiment is applied as appropriate. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the same component.
図2は、本明細書に開示する第2実施形態の反応状態測定装置の要部を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a main part of the reaction state measurement apparatus according to the second embodiment disclosed in the present specification.
本実施形態の反応状態測定装置10は、反応容器11の形状、励起光を反応容器11に照射する構造等が、上述した第1実施形態とは異なっている。
The reaction
装置10の反応容器11は、中空の円柱の形状を有する。反応容器11は、上下の底面と、側面を有する。円柱の形状を有する反応容器11は、上下の円形の底面の中心を通る対称軸Sに対する回転対称性を有する。また、円柱の形状を有する反応容器11は、対称軸Sに対する軸対称性と、対称軸Sを通る対称面に対する面対称性を有する。反応容器11の対称性に基づいて、反応容器11の内部は、光強度分布が等価な複数の領域に分割され得る。
The
反応容器11は、光触媒の粉体が水に分散された懸濁溶液である反応溶液Rを収容する。装置10は、光触媒の粉体が水に分散された懸濁溶液である反応溶液Rに対して、光触媒中の電子を励起させる励起光を照射して、光触媒の触媒作用を用いて水を分解する。
The
光吸収部13は、反応容器11を囲むように配置され、反応容器11の内部から外部へ向かって、反応容器11を透過した励起光Lを吸収する。光吸収部13は、円柱の形状を有する反応容器11の形状に対応して、円柱の形状を有する。光吸収部13は、連結部22が反応状態測定部15へ向かって延びる部分に、開口部を有する。
The
複数の光センサ14は、反応容器11の外部に配置され、反応容器11の内部から外部へ向かって反応容器11を透過した光を検出する。複数の光センサ14は、光吸収部13の反応容器11側の面に漏出するように配置される。
The plurality of
上述したように、反応容器11は、円柱の形状を有するので、反応容器11の中心軸である対称軸Sに対して、回転対称性を有する。そこで、複数の光センサ14は、反応容器11の回転対称性を利用して、反応容器11の対称軸Sを通る一の面で反応容器11を仮想的に切断した断面の外側に配置される。
As described above, since the
更に、反応容器11は、反応容器11の対称軸Sに対して、軸対称な形状を有する。そこで、装置10では、複数の光センサ14は、反応容器11の軸対称性も利用して、反応容器11の対称軸Sを通る一の面で反応容器11を仮想的に切断した断面の内、対称軸Sにより左右に分離される領域の内の右側の領域の外側に、複数のセンサ14が配置される。一方、複数のセンサ14は、対称軸Sにより左右に分離される領域の内の左側の領域の外側には、配置されない。
Further, the
具体的には、図2に示すように、複数のセンサ14は、円柱の上下の底面の半分の領域の外部及び側面の領域の外部において、直線上に配置される。
Specifically, as shown in FIG. 2, the plurality of
反応容器11の対称軸Sを通る一の面で反応容器11を仮想的に切断した断面から外部へ漏洩する漏洩光子数は、対称軸Sにより左右に分離される領域の外側に配置される複数のセンサ14を用いて測定される漏洩光子数を2倍にすることにより得られる。
The number of leaked photons leaking to the outside from a cross section obtained by virtually cutting the
この反応容器11の全体から外部へ漏洩する漏洩光子数は、反応容器11の対称軸Sを通る一の面で反応容器11を仮想的に切断した断面から外部へ漏洩する漏洩光子数と、光センサ14の受光面積及び光センサ14の配置間隔等と、回転対称性とに基づいて、求められる。
The number of leaked photons leaking to the outside from the
反応容器11の下方には、マグネチックスターラ30が配置されている。反応容器11内に収容された回転子31が、マグネチックスターラ30により駆動されて回転することにより、反応溶液Rが撹拌される。
A
回転子31を用いて反応溶液Rを撹拌することは、分散系である反応溶液Rの対称性を低下させることがあるかもしれない。この場合、吸収光子数及び反応容器11内の反応状態の測定時間を、回転子31の回転周期に対して十分に長くすることにより、反応容器11の内部の光強度分布は、反応容器11の対称性に基づいた等価な複数の領域に分割されるとみなすことができる。
Stirring the reaction solution R using the
反応容器11の上方には、照射光導入チャンバ20及び採取チャンバ21が配置される。採取チャンバ21と照射光導入チャンバ20とは、励起光Lを透過する窓部21aにより区画される。
Above the
照射光導入チャンバ20には、光照射部12が出力した励起光Lが、光ファイバ12bから照射される。照射光導入チャンバ20は、ビームスプリッタ20aと、レンズ20bを有する。光ファイバ12bから照射された励起光Lの大部分は、ビームスプリッタ20aを透過した後、レンズ20bにより屈折し、窓部21aを透過し、連結部22を通って反応容器11内に進む。
The irradiation
反応容器11内の反応溶液Rを照射した励起光Lの内の一部は、反応溶液Rの表面で反射する。反応溶液Rの表面で反射した励起光の一部は、連結部22を通って、照射光導入チャンバ20内に進み、ビームスプリッタ20aで反射して、光センサ14bにより検出される。光センサ14bは、受光した光の光強度を検出し、検出した光強度を、信号線14aを介して、漏洩光子数測定部17へ出力する。光センサ14bにより検出された光は、漏洩光として測定される。
A part of the excitation light L irradiated with the reaction solution R in the
光センサ14bにより受光された光は、光吸収部13の開口部に位置する連結部22を通って、反応容器11から漏洩した光なので、光吸収部13に配置された光センサ14によっては検出されない。そこで、光吸収部13の開口部に位置する連結部22を通った光を、光センサ14bを用いて検出することにより、漏洩光子数をより精確に測定するようになされている。なお、光センサ14bを用いて検出される光子数が、漏洩光子数に対して無視できる大きさである場合には、光センサ14bを配置しなくてもよい。
The light received by the
また、ビームスプリッタ20aは、光ファイバ12bから照射された励起光Lの一部を、光センサ16aへ向けて反射する。光センサ16aは、受光した励起光の光強度を検出し、検出した光強度を、信号線16bを介して、照射光子数測定部16へ出力する。
The
反応容器11と、採取チャンバ21とは、連結部22を介して接続する。反応容器11内の反応物又は生成物は、連結部22を通って、採取チャンバ21へ移動する。採取チャンバ21へ移動した反応物又は生成物は、更に、反応状態測定部15へ移動する。
The
上述した本実施形態の装置10によれば、円柱の形状を有する反応容器11の対称性を利用して、使用する光センサ14の数を低減することができる。また、上述した第1実施形態と同様の効果が奏される。
According to the
次に、本明細書に開示する第3実施形態の反応状態測定装置の要部を、図を参照して、以下に説明する。 Next, the principal part of the reaction state measuring apparatus according to the third embodiment disclosed in the present specification will be described below with reference to the drawings.
図3〜図5は、本明細書に開示する第3実施形態の反応状態測定装置の要部を示す図である。図4は、図3のX1−X1線断面図である。図3は、図4のX2−X2線断面図である。図5は、図4のX3−X3線断面図である。図6(A)及び図6(B)は、第3実施形態の反応状態測定装置の光センサの配置を示す図であり、図6(A)は、反応容器11の平面図であり、図6(B)は、反応容器の側面図である。
3-5 is a figure which shows the principal part of the reaction state measuring apparatus of 3rd Embodiment disclosed by this specification. 4 is a cross-sectional view taken along line X1-X1 of FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line X2-X2 of FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line X3-X3 of FIG. 6 (A) and 6 (B) are views showing the arrangement of the optical sensors of the reaction state measuring apparatus of the third embodiment, and FIG. 6 (A) is a plan view of the
本実施形態の装置10では、色素が溶解した水溶液に光触媒の粉体を分散した反応溶液Rに対して、光触媒中の電子を励起させる励起光を照射して、光触媒の触媒作用を用いて、色素分子を酸化分解する。
In the
本実施形態の装置10は、上述した第1実施形態に対して、以下の点が主に異なっている。本実施形態の反応容器11は、中空の四角柱の形状を有し、光吸収部13は、四角柱の形状を有する反応容器11の形状に対応して、四角柱の形状を有する。反応状態測定部15は、反応容器11内の反応溶液Rの吸光度を調べて、反応物である色素分子の量を測定する。従って、色素分子の量を反応容器11の内部で測定するので、反応容器11は、光化学反応における反応物又は生成物を、反応状態測定部15へ移動させるための開口部を有さない。
The
中空の四角柱の形状を有する反応容器11は、上下の正方形の底面と、4つの平坦な側面を有する。四角柱の形状を有する反応容器11は、上下の底面の中心を通る対称軸Sに対して90度の回転対称性を有する。四角柱の形状を有する反応容器11は、対称軸Sに対する軸対称性と、対称軸Sを通る対称面に対する面対称性を有する。反応容器11の対称性に基づいて、反応容器11の内部は、光強度分布が等価な複数の領域に分割され得る。
The
装置10では、複数の光センサ14は、平坦の一の側面及び上下の底面の外部に配置される。
In the
上述した第1実施形態及び第2実施形態では、光センサは、反応容器の湾曲した壁面を透過した光を受光する。湾曲した壁面は、レンズとして機能して光の進行方向を変化させるので、光センサと反応容器との位置関係に誤差があると、光センサが検出する光強度に影響を与えるおそれがある。 In the first embodiment and the second embodiment described above, the optical sensor receives light transmitted through the curved wall surface of the reaction vessel. Since the curved wall surface functions as a lens and changes the traveling direction of light, if there is an error in the positional relationship between the optical sensor and the reaction vessel, the light intensity detected by the optical sensor may be affected.
一方、本実施形態の装置10では、光センサは、反応容器の平坦な壁面を透過した光を受光する。平坦な壁面は、光の進行方向に与える影響が小さいので、反応容器11に対して光センサ14の位置の誤差に対する許容度が、上述した第1実施形態及び第2実施形態よりも大きい。従って、装置10を組み立てる作業が容易になる。
On the other hand, in the
複数の光センサ14は、90度の回転対称性を有する光強度分布が等価な4つの領域の内の一の領域の外側に配置される。また、この一の領域は、反応容器11の対称軸Sを通り且つ一の側面の中央を通る面で反応容器11を仮想的に切断した断面に対して面対称性を有する。
The plurality of
図6(A)及び図6(B)に示すように、装置10では、複数の光センサ14は、まず、反応容器11の対称軸Sを通り且つ一の側面の中央を通る面で反応容器11を仮想的に切断した断面の外側に、直線状に配置される。また、複数の光センサ14は、反応容器11の対称軸Sを通り且つ一の側面の側縁の近傍を通る面で反応容器11を仮想的に切断した断面の外側に、直線状に配置される。
As shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B), in the
光吸収部13は、反応容器11を囲むように配置され、反応容器11の内部から外部へ向かって、反応容器11を透過した励起光Lを吸収する。光吸収部13は、四角柱の形状を有する反応容器11の形状に対応して、四角柱の形状を有する。光吸収部13は、光照射部12が照射した励起光Lを通過させる部分に、開口部を有する。
The
光照射部12は、発光部12cと、信号線12dと、レンズ12eを有する。発光部12cは、反応容器11を透過可能な励起光Lを、反応容器11の対称軸Sに沿って照射する。発光部12cとして、例えば、発光ダイオードを用いることができる。信号線12dは、発光部12cを駆動する駆動信号を、光照射部12から発光部12cへ伝達する。レンズ12eは、反応容器11の上側の底面の中央を覆う光吸収部13の開口部に配置される。レンズ12eは、発光部12cが出力した励起光Lを屈折して、反応容器11内へ進める。
The
発光部12cが出力する励起光Lの一部は、光センサ16aによって検出される。光センサ16aは、受光した励起光の光強度を検出し、検出した光強度を、照射光子数測定部16へ出力する。
A part of the excitation light L output from the
反応状態測定部15は、発光部15bと、受光部15cを有する。発光部15b及び受光部15cは、反応容器11の対向する2つの側面それぞれの外部に配置される。発光部15b及び受光部15cが位置する部分の光吸収部13には開口部が設けられており、発光部15bが出力する光は、光吸収部13に吸収されることなく、反応容器11を透過して、受光部15cによって受光される。
The reaction
発光部15b及び受光部15cは、複数の光センサ14が配置される側面とは異なる側面に配置されることが、光センサ14と、発光部15b及び受光部15cとが、互いの測定に干渉することを防止する観点から好ましい。受光部15cは、色素分子が吸収する波長を有する光強度を検出し、検出した光強度を反応状態測定部15へ出力する。発光部15bとして、例えば、発光ダイオードを用いることができる。受光部15cとして、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
The
発光部15bは、反応物である色素分子が吸収する波長を有する光を出力する。受光部15cは、発光部15bが出力する光が直進する方向に配置される。発光部15bは、単色の波長を有する光を出力してもよい。また、発光部15bは、色素分子が吸収する波長を含む所定の帯域を有する光を出力するようにしてもよい。受光部15cが、所定の帯域の光強度を検出することにより、吸光スペクトルが得られる。
The
反応状態測定部15は、発光部15b及び受光部15cを制御する。反応状態測定部15は、受光部15cから光強度を入力して、反応溶液R内の色素分子の量を測定する。反応状態測定部15は、測定した色素分子の量を、反応状態算出部18へ出力する。
The reaction
図4に示すように、発光部15bと反応容器11との間には、フィルタ15dが配置され、受光部15cと反応容器11との間には、フィルタ15eが配置される。フィルタ15d、15eは、発光部15bが出力する光を透過するが、励起光Lを吸収する。フィルタ15d、15eは、励起光Lが反応容器11内へ反射することを防止する。また、フィルタ15dは、励起光Lが受光部15cの検出に影響を与えることを防止する。
As shown in FIG. 4, a
反応状態算出部18は、照射光子数測定部16から入力した吸収光子数と、反応溶液R内の色素分子の量とに基づいて、光化学反応の量子収率を算出する。
The reaction
上述した本実施形態の装置10によれば、反応容器11に対して光センサ14を配置する位置の誤差に対する許容度が大きいので、装置10を組み立てる作業が容易になる。また、装置10によれば、反応容器11内の反応状態を、リアルタイムで測定することができる。また、上述した第1実施形態と同様の効果が奏される。
According to the
次に、本明細書に開示する第4実施形態の反応状態測定装置の要部を、図を参照して、以下に説明する。 Next, the principal part of the reaction state measuring apparatus according to the fourth embodiment disclosed in the present specification will be described below with reference to the drawings.
図7は、本明細書に開示する第4実施形態の反応状態測定装置の要部を示す図である。 FIG. 7 is a diagram illustrating a main part of a reaction state measurement apparatus according to a fourth embodiment disclosed in the present specification.
本実施形態の装置10は、上述した第3実施形態と同様に、色素が溶解した水溶液に光触媒の粉体を分散した反応溶液Rに対して、光触媒中の電子を励起させる励起光を照射して、光触媒の触媒作用を用いて、色素分子を酸化分解する。
As in the third embodiment described above, the
本実施形態の装置10は、上述した第3実施形態に対して、以下の点が主に異なっている。本実施形態の装置10は、反応溶液Rの温度を変化させる温度調整部40を有する。複数の光センサ14それぞれは、光ファイバ14cを有し、複数の光センサ14それぞれは、反応容器11の外部に配置される光ファイバ14cを用いて、反応容器11から漏洩した漏洩光を受光する。反応容器11内の反応状態は、反応容器11から反応溶液Rを取り出し、反応溶液R中の色素分子の量を測定することにより行われる。光照射部12は、光ファイバ12bの先端部を、反応溶液R内に浸漬させて、励起光Lを反応溶液Rの内部で照射する。
The
温度調整部40は、光吸収部13の下方に配置される。温度調整部40と、反応容器11との間の距離は、温度調整部40と反応容器11との間で熱の伝達が可能な距離に調節される。
The
温度調整部40は、例えば、反応状態算出部18により制御されて、光吸収部13を加熱又は冷却することにより、反応容器11内の反応溶液Rを加熱又は冷却する。温度調整部40として、例えば、熱電変換素子を用いることができる。
For example, the
一般に、光化学反応は、全ての素過程が光化学的に進行するわけではなく、熱的過程も反応速度に影響を与える。そこで、装置10は、温度調整部40を用いて、反応溶液Rの温度を制御すると共に、励起光を反応溶液Rへ照射する。
In general, in a photochemical reaction, not all elementary processes proceed photochemically, and a thermal process also affects the reaction rate. Therefore, the
温度調整部40は、ヒートシンク41上に配置され、ヒートシンク41は、マグネチックスターラ30上に配置される。温度調整部40が熱電変換素子を有する場合には、反応溶液Rを加熱する時には、ヒートシンク41を加熱し、反応溶液Rを冷却する時には、ヒートシンク41を冷却してもよい。
The
反応容器11及び光吸収部13は、温度調整部40によって加熱又は冷却されるので、上述した第1実施形態から第3実施形態のように、光センサを反応容器11の近傍に配置した場合、光センサが温度変化の影響を受けるおそれがある。
Since the
そこで、装置10では、第3実施形態において光センサが配置されていた位置の漏洩光を、光ファイバ14cを用いて受光し、光センサ14が、光ファイバ14cで伝搬した漏洩光を受光するようにしている。各光センサ14は、反応容器11及び温度調整部40の温度の影響を受けない位置に配置されることが好ましい。
Therefore, in the
各光センサ14は、第3実施形態における光センサと同じ位置の漏洩光を検出して、漏洩光の光強度を漏洩光子数測定部17へ出力する。漏洩光子数測定部17は、補正された各光センサ14からの光強度を積算し、反応容器11から漏洩した漏洩光子数を求める。
Each
反応状態測定部15は、反応溶液R中の色素分子の量を測定して、測定した色素分子の量を、反応状態算出部18へ出力する。反応溶液R中の色素分子の量の測定を行うタイミングは、例えば、所定の時間毎に、又は、所定の照射光子数毎に行うことができる。照射光子数測定部16は、光ファイバ12bへ出力する励起光の一部の光強度を検出して、照射光子数を測定する。
The reaction
反応状態算出部18は、照射光子数測定部16から入力した吸収光子数と、反応状態測定部15から入力した色素分子の量とに基づいて、光化学反応の量子収率を算出する。
The reaction
上述した本実施形態の装置10によれば、光化学反応における反応溶液Rの温度を制御して、光化学反応系に吸収された吸収光子数を容易に測定し、吸収光子数と反応状態との関係を求めることができる。また、装置10によれば、上述した第3実施形態と同様の効果が奏される。
According to the
次に、本明細書に開示する第5実施形態の反応状態測定装置の要部を、図を参照して、以下に説明する。 Next, the principal part of the reaction state measurement apparatus according to the fifth embodiment disclosed in the present specification will be described below with reference to the drawings.
図8は、本明細書に開示する第5実施形態の反応状態測定装置の要部を示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating a main part of a reaction state measurement apparatus according to a fifth embodiment disclosed in the present specification.
本実施形態の装置10は、薄膜状の光触媒層23を用いて、反応溶液Rの光化学反応を測定する点が、上述した実施形態とは異なっている。光触媒層23は、支持基板24上に支持されて、反応溶液R中に浸漬するように、反応容器11内に配置される。支持基板24上に支持された光触媒層23を、図8中に拡大して示す。支持基板24は、反応溶液Rが流動可能な複数の貫通孔を有する。
The
光触媒の触媒作用は、粉体の時と薄膜の時とでは、光触媒の形態によって異なる場合がある。そこで、装置10は、薄膜状の光触媒層23を用いて、吸収光子数と、量子収率との関係を算出する。
The catalytic action of the photocatalyst may differ depending on the form of the photocatalyst between the powder and the thin film. Therefore, the
装置10の他の構造は、上述した第3実施形態と同様である。
The other structure of the
装置10では、反応容器11の対称軸Sに対して直交する反応容器の断面形状は、正方形である。光触媒層23を平面視した形状も正方形であり、光触媒層23は、反応容器11の対称軸Sに対して直交ように配置される。
In the
光触媒層23を平面視した形状を、反応容器11の断面形状である正方形と相似な正方形とすることにより、反応容器11の対称性に基づいた光強度分布の等価性を利用して、光センサを配置する数を低減することができる。
By making the shape of the
光化学反応としては、例えば、上述した水の分解反応、又は色素の分解反応を扱うことができる。 As the photochemical reaction, for example, the above-described water decomposition reaction or pigment decomposition reaction can be handled.
上述した本実施形態の装置10によれば、薄膜状の光触媒層23を用いて、吸収光子数と、量子収率との関係を算出することができる。また、装置10によれば、上述した第3実施形態と同様の効果が奏される。
According to the
次に、本明細書に開示する第6実施形態の反応状態測定装置の要部を、図を参照して、以下に説明する。 Next, the principal part of the reaction state measuring apparatus according to the sixth embodiment disclosed in the present specification will be described below with reference to the drawings.
図9は、本明細書に開示する第4実施形態の反応状態測定装置の要部を示す図である。 FIG. 9 is a diagram illustrating a main part of a reaction state measuring apparatus according to a fourth embodiment disclosed in the present specification.
光触媒を用いた光化学反応を行う反応系は、上述した液相と共に気相の場合もある。 A reaction system that performs a photochemical reaction using a photocatalyst may be a gas phase together with the liquid phase described above.
本実施形態の装置10は、光触媒の粉体を用いて、液体ではなく気相の反応気体Gの光化学反応を測定する点が、上述した実施形態とは異なっている。
The
反応気体Gとしては、例えば、アセトアルデヒド又はメルカプタン(チオール)等の臭気を有する有機物の気体を用いることができる。 As the reaction gas G, for example, an organic gas having an odor such as acetaldehyde or mercaptan (thiol) can be used.
装置10は、光触媒の粉体を反応気体G中に分散するための加振部50を備える。加振部50は、反応容器11の底部に配置される。加振部50は、光触媒の粉体に振動を与えて、反応気体G中に均一に分散するようになされている。
The
装置10の他の構造は、上述した第2実施形態と同様である。
The other structure of the
連結部22の内径は、光触媒の粉体に対する抵抗を大きくして、粉体が反応容器11から採取チャンバ21へ移動することを抑制する寸法に設定することが好ましい。
The inner diameter of the connecting
上述した本実施形態の装置10によれば、反応気体Gの光化学反応に対して、吸収光子数と、量子収率との関係を算出することができる。また、装置10によれば、上述した第2実施形態と同様の効果が奏される。
According to the
本発明では、上述した実施形態の反応状態算出装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態又は変形例にも適宜適用することができる。 In the present invention, the reaction state calculation device of the above-described embodiment can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. In addition, the configuration requirements of one embodiment can be applied as appropriate to other embodiments or modifications.
図10は、本明細書に開示する反応状態測定装置の変形例1を示す図である。 FIG. 10 is a diagram illustrating a first modification of the reaction state measurement device disclosed in this specification.
例えば、光吸収部13は、図10に示すような構造を有していてもよい。光吸収部13は、上部13aと下部13bとに分割可能である。上部13aは、反応容器11の上側の部分を収容する上側凹部13eを有し、下部13bは、反応容器11の下側の部分を収容する下側凹部13fを有する。上部13aと下部13bとが重ねあわされた状態では、上側凹部13eと下側凹部13fとが結合して凹部13cが形成される。上側凹部13e及び下側凹部13fの内壁は、励起光を吸収する材料を用いて形成される。また、上部13a及び下部13bの全体が、励起光を吸収する材料を用いて形成されていてもよい。反応容器11は、凹部13c内に収容される。図10では、反応容器11及び光吸収部13以外の装置10の構成要素の記載は省略されている。
For example, the
図11は、本明細書に開示する反応状態測定装置の変形例2を示す図である。 FIG. 11 is a diagram illustrating a second modification example of the reaction state measurement device disclosed in this specification.
また、光吸収部13は、図11に示すような構造を有していてもよい。光吸収部13は、内部が密閉された空間を有している。光吸収部13の内壁は、励起光を吸収する材料を用いて形成される。また、光吸収部13の全体が、励起光を吸収する材料を用いて形成されていてもよい。反応容器11は、光吸収部13の内部の空間に配置される。図11では、反応容器11及び光吸収部13以外の装置10の構成要素の記載は省略されている。
Moreover, the
図12は、本明細書に開示する反応状態測定装置の変形例3を示す図である。 FIG. 12 is a diagram illustrating a third modification of the reaction state measurement device disclosed in this specification.
例えば、反応容器11は、複数の貫通孔11aを有しており、光照射部が、反応容器11が吸収可能な光を、反応容器11内に照射してもよい。反応容器11は、例えば、炭素を含む材料を用いて形成される。複数の貫通孔11aには、反応容器11内の内容物が貫通孔11aを通って漏れることを防止するように、励起光を透過するフィルタ11bが充填される。複数の光センサ14は、反応容器11の外部に配置され、反応容器11の内部から外部へ、複数の貫通孔11aを通過した光を検出する。漏洩光子数測定部(漏洩光量測定部)は、複数の光センサ14が出力する信号に基づいて、反応容器11の内部から外部へ、複数の貫通孔11aを通過して、反応容器11から漏洩した漏洩光子数(漏洩光量)を測定する。なお、励起光Lは、フィルタ11bが充填された貫通孔11aを通過して、反応容器11内に照射される。
For example, the
また、上述した実施形態では、反応容器が対称性を有していたが、反応容器は、対称性を有していなくてもよい。この場合、複数のセンサを、反応容器の全体から漏洩する光を受光するように配置すればよい。 Moreover, in embodiment mentioned above, although the reaction container had symmetry, the reaction container does not need to have symmetry. In this case, what is necessary is just to arrange | position a some sensor so that the light which leaks from the whole reaction container may be received.
また、上述した実施形態では、照射光子数測定部が、照射光子数と漏洩光子数との差である吸収光子数を求めていたが、反応状態算出部が、照射光子数及び漏洩光子数を入力して、吸収光子数を求めるようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the irradiation photon number measurement unit calculates the absorption photon number that is the difference between the irradiation photon number and the leakage photon number, but the reaction state calculation unit calculates the irradiation photon number and the leakage photon number. The number of absorbed photons may be obtained by inputting.
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。 All examples and conditional words mentioned herein are intended for educational purposes to help the reader deepen and understand the inventions and concepts contributed by the inventor. All examples and conditional words mentioned herein are to be construed without limitation to such specifically stated examples and conditions. Also, such exemplary mechanisms in the specification are not related to showing the superiority and inferiority of the present invention. While embodiments of the present invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions or modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
10 反応状態測定装置
11 反応容器
11a 貫通孔
11b フィルタ
12 光照射部
12a ビームスプリッタ
12b 光ファイバ
12c 発光部
12d 信号線
12e レンズ
13 光吸収部
13a 上部
13b 下部
13c 凹部
13e 上側凹部
13f 下側凹部
14 光センサ
14a 信号線
14b 光センサ
14c 光ファイバ
15 反応状態測定部
15a 連結部
15b 発光部
15c 受光部
15d フィルタ
15e フィルタ
16 照射光子数測定部(照射光量測定部)
16a 光センサ
16b 信号線
17 漏洩光子数測定部(漏洩光量測定部)
18 反応状態算出部
18a 表示部
18b 記憶部
20 照射光導入チャンバ
20a ビームスプリッタ
20b レンズ
21 生成物又は反応物の採取チャンバ
21a 窓部
22 連結部
23 触媒
24 支持基板
30 マグネチックスターラ
31 回転子
40 温度調整部
41 ヒートシンク
50 加振部
L 励起光
M 生成物又は反応物
R 反応液(反応させる液)
G 反応気体(反応させる気体)
S 対称軸DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
G reaction gas (gas to be reacted)
S symmetry axis
Claims (8)
前記反応容器を透過可能な光を、前記反応容器内に照射する光照射部と、
前記反応容器を囲むように配置され、前記反応容器の内部から外部へ前記反応容器を透過した光を吸収する光吸収部と、
前記反応容器の外部に配置され、前記光照射部が前記反応容器内に光を照射する第1方向及び前記第1方向とは異なる第2方向に向かって、前記反応容器の内部から外部へ前記反応容器を透過した光を検出する複数の光センサと、
前記反応容器内の反応状態を測定する反応状態測定部と、
前記光照射部が前記反応容器内に照射した照射光量を測定する照射光量測定部と、
前記複数の光センサが出力する信号に基づいて、前記反応容器の内部から外部へ前記反応容器を透過して、前記反応容器から漏洩した漏洩光量を測定する漏洩光量測定部と、
前記照射光量と前記漏洩光量との差と、前記反応状態測定部が測定した前記反応容器内の反応状態とに基づいて、反応で吸収された吸収光の利用効率を算出する反応状態算出部と、
を備える反応状態測定装置。 A reaction vessel;
A light irradiation unit that irradiates the reaction container with light that can be transmitted through the reaction container; and
A light absorption part arranged to surround the reaction vessel and absorbing light transmitted through the reaction vessel from the inside of the reaction vessel to the outside;
It is arranged outside the reaction vessel, and the light irradiation part emits light into the reaction vessel in a first direction and a second direction different from the first direction, from the inside of the reaction vessel to the outside. A plurality of optical sensors for detecting light transmitted through the reaction vessel;
A reaction state measurement unit for measuring the reaction state in the reaction vessel;
An irradiation light amount measurement unit for measuring the amount of irradiation light irradiated into the reaction container by the light irradiation unit;
Based on signals output from the plurality of optical sensors, a leakage light amount measurement unit that measures the amount of leakage light that has passed through the reaction container from the inside to the outside of the reaction container and leaked from the reaction container;
A reaction state calculation unit that calculates use efficiency of absorbed light absorbed by the reaction based on the difference between the irradiation light amount and the leakage light amount and the reaction state in the reaction container measured by the reaction state measurement unit; ,
A reaction state measuring device comprising:
前記反応容器が吸収可能な光を、前記反応容器内に照射する光照射部と、
前記反応容器の外部に配置され、前記光照射部が前記反応容器内に光を照射する第1方向及び前記第1方向とは異なる第2方向に向かって、前記反応容器の内部から外部へ、前記複数の貫通孔を通過した光を検出する複数の光センサと、
前記反応容器内の反応状態を測定する反応状態測定部と、
前記光照射部が前記反応容器内に照射した照射光量を測定する照射光量測定部と、
前記複数の光センサが出力する信号に基づいて、前記反応容器の内部から外部へ、前記複数の貫通孔を通過して、前記反応容器から漏洩した漏洩光量を測定する漏洩光量測定部と、
前記照射光量と前記漏洩光量との差と、前記反応状態測定部が測定した前記反応容器内の反応状態とに基づいて、反応で吸収された吸収光の利用効率を算出する反応状態算出部と、
を備える反応状態測定装置。 A reaction vessel having a plurality of through holes;
A light irradiation unit for irradiating the reaction container with light that can be absorbed by the reaction container;
From the inside of the reaction vessel to the outside, arranged in the outside of the reaction vessel, in a first direction in which the light irradiation unit emits light into the reaction vessel and a second direction different from the first direction, A plurality of optical sensors for detecting light that has passed through the plurality of through holes;
A reaction state measurement unit for measuring the reaction state in the reaction vessel;
An irradiation light amount measurement unit for measuring the amount of irradiation light irradiated into the reaction container by the light irradiation unit;
Based on signals output from the plurality of optical sensors, from the inside of the reaction vessel to the outside, the leakage light amount measurement unit that measures the amount of leakage light that has leaked from the reaction vessel through the plurality of through holes,
A reaction state calculation unit that calculates use efficiency of absorbed light absorbed by the reaction based on the difference between the irradiation light amount and the leakage light amount and the reaction state in the reaction container measured by the reaction state measurement unit; ,
A reaction state measuring device comprising:
前記反応容器は、前記反応容器の対称性に基づいて、前記反応容器内の光量分布が等価な複数の領域を有し、
前記複数の光センサは、一の前記領域の外部に配置される請求項1又は2に記載の反応状態算出装置。 The reaction vessel has symmetry;
The reaction vessel has a plurality of regions where the light amount distribution in the reaction vessel is equivalent based on the symmetry of the reaction vessel,
The reaction state calculation device according to claim 1, wherein the plurality of optical sensors are arranged outside one of the regions.
前記対称軸を通る面で前記反応容器を仮想的に切断した断面の外部に、前記複数のセンサが配置される請求項3に記載の反応状態算出装置。 The reaction vessel has an axisymmetric shape with respect to an axis of symmetry,
The reaction state calculation device according to claim 3, wherein the plurality of sensors are arranged outside a cross section obtained by virtually cutting the reaction vessel on a plane passing through the axis of symmetry.
前記光触媒層は、
前記対称軸に対して直交する前記反応容器の断面形状に対して相似な形状を有する請求項5に記載の反応状態算出装置。 A photocatalytic layer is disposed within the reaction vessel;
The photocatalyst layer is
The reaction state calculation device according to claim 5, wherein the reaction state calculation device has a shape similar to a cross-sectional shape of the reaction vessel orthogonal to the axis of symmetry.
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