マンガン酸化物を用い3次元構造のナノ材料を開発：光熱変換の高効率化に新たな指針

近畿大学は、マンガン酸化物を用い3次元構造のナノ材料を合成することに成功した。合成した3次元構造のナノ材料が、光を熱に変換する触媒として高い効率で機能することも明らかにした。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

ナノワイヤアレイ、100℃以下で簡単かつ高密度に合成

　近畿大学理工学部応用化学科の多田弘明教授や副島哲朗准教授らによる研究グループは2023年1月、マンガン酸化物を用い3次元構造のナノ材料を合成することに成功したと発表した。合成した3次元構造のナノ材料が、光を熱に変換する触媒として高い効率で機能することも明らかにした。

　ナノ材料は、棒状やワイヤ状などさまざまな形状や構造にすることで、強靭（きょうじん）性や電気伝導性、熱伝導性を高めることができるという。例えば、触媒反応を促進させる「フォトサーマル触媒」や、効率的な光熱変換特性を示す「ナノワイヤアレイ」などへの応用例がある。ただ、フォトサーマル触媒で利用可能な光は、今のところ可視光に限られたり、ナノワイヤアレイ自体の合成には高価な機器が必要であったりして、広く普及させるには課題もあったという。

左はフォトサーマル触媒の模式図、右はナノワイヤアレイ構造による光の多重散乱と高効率的な吸収のイメージ 出所：近畿大学

　研究グループは今回、安価で入手も容易なマンガン酸化物を原料に選び、その一種である水酸化酸化マンガン（γ-MnOOH）のナノワイヤアレイについて、100℃以下の低温で合成する方法を開発した。その方法とは、マンガンイオンや過酸化水素、ヘキサメチレンテトラミンなどを水に溶かし、この液体に基板を入れてフタをし、乾燥機（加熱機）の中に入れる。そして85℃の環境に数時間置ければ、高密度で単結晶性のMnOOHナノワイヤを基板から成長させることができるという。

γ-MnOOHナノワイヤアレイの合成方法 出所：近畿大学

　実験では、この材料を約400℃で加熱処理した。そうすると単結晶性ナノワイヤアレイ構造を保ちながら、β-MnO₂ナノワイヤアレイに変換させることができた。このβ-MnO₂ナノワイヤアレイは、可視域から近赤外域までの広範囲にわたる光を吸収できることが分かった。

可視域から近赤外域までの光を吸収するβ-MnO₂ナノワイヤアレイ 出所：近畿大学

　研究グループは、o-フェニレンジアミン（OPD）から2,3-ジアミノフェナジン（DAP）への酸化反応を用いて、β-MnO₂ナノワイヤアレイのフォトサーマル触媒活性を評価した。この結果、3次元構造のβ-MnO₂ナノワイヤアレイでは、光照射下における活性が、暗所下に比べ2.5倍となった。

左はフォトサーマル触媒としての活性評価に用いた反応、右はDAPの生成濃度と反応時間 出所：近畿大学

　研究グループは活性向上の要因として、「ナノワイヤアレイの特異な3次元構造により、入射される光が多重散乱され、極めて高効率にβ-MnO₂に吸収された」ことや、「ナノワイヤが高密度で成長したβ-MnO₂ナノワイヤアレイでは、近傍に密集して存在するナノワイヤ同士による熱エネルギーの集中が起きた」ことを挙げた。