JP7429442B2 - Hydrogen detection element, hydrogen sensor, light control member, and light control window - Google Patents
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Description
本発明は、ガスクロミック反応を示す材料を適用した水素検知素子、水素センサー、調光部材、及び調光窓に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen sensing element, a hydrogen sensor, a light control member, and a light control window to which a material exhibiting gaschromic reaction is applied.
外部からの刺激を受けて光学特性が可逆的に変化する現象であるクロミック反応を示す材料は、広く知られている。クロミック反応は、主にエレクトロクロミック反応とガスクロミック反応とに分けられる。エレクトロクロミック反応は、電圧の印加による酸化還元反応を伴う。ガスクロミック反応では、雰囲気中のガス分子による還元及び酸化が起こる。 Materials that exhibit chromic reactions, a phenomenon in which optical properties change reversibly in response to external stimuli, are widely known. Chromic reactions are mainly divided into electrochromic reactions and gaschromic reactions. Electrochromic reactions involve redox reactions due to the application of voltage. In gas chromic reactions, reduction and oxidation occur by gas molecules in the atmosphere.
クロミック反応を示す材料(以下、「クロミック材料」という。)の用途の1つとして、水素センサーが挙げられる。 Hydrogen sensors are one of the uses of materials that exhibit chromic reactions (hereinafter referred to as "chromic materials").
ガラス、鉄鋼、化学物資、燃料電池又は半導体等の製造工場においては、半導体等の製造工程で水素ガスを使用し、又は製造工程において水素ガスが発生することがある。
水素ガスの爆発範囲は、4体積%~75体積%と広い。また、水素ガスは、無味無臭で軽いことから、取り扱いが難しい。また、水素ガスを燃料とする燃料電池、燃料電池自動車も同様に、水素ガスによる爆発の危険性を有する。したがって、水素ガスの取り扱いには留意し、水素ガス漏洩を監視、検知する必要がある。
水素ガスの検知方法としては、接触燃焼式、気体熱伝導式及び半導体式などが知られている。接触燃焼式などの既存の方法は、市販の水素ガスセンサーで採用されている。しかし、既存の方法では、検知感度を上げるために加熱及び燃焼が必要であり、安全性に問題がある。また、既存の方法では、待機時のエネルギー消費が大きい。さらに、既存の方法では、水素検出素子の劣化が早いと共に特性が不安定になり易かったりするため、信頼性が十分でない。
クロミック反応を利用すると、常温で水素ガスを検知することができる(特許文献1~4参照)。
In factories manufacturing glass, steel, chemicals, fuel cells, semiconductors, etc., hydrogen gas may be used or generated during the manufacturing process of semiconductors, etc.
The explosive range of hydrogen gas is wide, ranging from 4% by volume to 75% by volume. Additionally, hydrogen gas is tasteless, odorless, and light, making it difficult to handle. Furthermore, fuel cells and fuel cell vehicles that use hydrogen gas as fuel also have the risk of explosion due to hydrogen gas. Therefore, it is necessary to handle hydrogen gas with care and to monitor and detect hydrogen gas leaks.
Known methods for detecting hydrogen gas include a catalytic combustion method, a gas heat conduction method, and a semiconductor method. Existing methods such as catalytic combustion are employed in commercially available hydrogen gas sensors. However, existing methods require heating and combustion to increase detection sensitivity, which poses a safety problem. Furthermore, existing methods consume a large amount of energy during standby. Furthermore, existing methods do not have sufficient reliability because the hydrogen detection element deteriorates quickly and its characteristics tend to become unstable.
By using a chromic reaction, hydrogen gas can be detected at room temperature (see Patent Documents 1 to 4).
特許文献1には、「平板状でプロトン伝導性を有する固体電解質と、水素ガスの分子をプロトンと電子に解離させるために固体電解質の一方の主面に設けられた触媒電極と、触媒電極によって生じたプロトンと電子を固体電解質の他方の主面において再結合させるために固体電解質の他方の主面に設けられた参照電極と、触媒電極で生じた電子を参照電極へ送るための電子伝導性材料からなる導通手段とを有し、触媒電極と参照電極との間の電位差を測定することにより水素ガスを検知することを特徴とする水素センサ」が記載されている(請求項1)。 Patent Document 1 states, ``A solid electrolyte that is flat and has proton conductivity, a catalyst electrode provided on one main surface of the solid electrolyte to dissociate hydrogen gas molecules into protons and electrons, and a catalyst electrode that A reference electrode provided on the other main surface of the solid electrolyte to recombine the generated protons and electrons on the other main surface of the solid electrolyte, and electron conductivity for sending electrons generated at the catalyst electrode to the reference electrode. 1. A hydrogen sensor that detects hydrogen gas by measuring a potential difference between a catalyst electrode and a reference electrode.
特許文献2には、酸化シリコン又はセラミックス等の基板上に形成された酸化タングステンの薄膜からなる選択性薄膜ガスセンサであって、酸化タングステンの薄膜は、低酸素濃度(1~10%)の雰囲気中で金属タングステン・ターゲットを用いた反応性高周波スパッタリング法で付着され、WO3-δの組成(δ<0.2)を有することが記載されている(請求項1、6)。 Patent Document 2 discloses a selective thin film gas sensor consisting of a tungsten oxide thin film formed on a substrate such as silicon oxide or ceramics, in which the tungsten oxide thin film is formed in an atmosphere with a low oxygen concentration (1 to 10%). It is described that it is deposited by a reactive radio frequency sputtering method using a metallic tungsten target and has a composition of WO 3-δ (δ<0.2) (claims 1 and 6).
特許文献3には、酸化セリウム含有層と、酸化タングステン含有層と、触媒金属元素含有層とを備え、水素ガス濃度変化に応じて、光吸収特性が変化する水素ガス検知用部材であって(請求項1)、前記酸化セリウム含有層、前記酸化タングステン含有層、及び触媒金属元素含有層が、スパッタリングにより基板上に堆積させて形成されていることが記載されている(段落[0118]~[0121]) Patent Document 3 discloses a hydrogen gas detection member that includes a cerium oxide-containing layer, a tungsten oxide-containing layer, and a catalytic metal element-containing layer, and whose light absorption characteristics change according to changes in hydrogen gas concentration ( Claim 1) states that the cerium oxide-containing layer, the tungsten oxide-containing layer, and the catalytic metal element-containing layer are formed by depositing on a substrate by sputtering (paragraphs [0118] to [0118]). 0121])
特許文献4には、クロミック反応を示す水素吸蔵層と触媒層とを備える水素吸蔵体を、水素感知素子及び水素センサーに用いることが記載されている(請求項1、7、8)。また、前記触媒層に対して、前記水素吸蔵層とは反対側に、保護層を備えることが記載されている(請求項5)。 Patent Document 4 describes that a hydrogen storage body including a hydrogen storage layer and a catalyst layer that exhibits a chromic reaction is used for a hydrogen sensing element and a hydrogen sensor (claims 1, 7, and 8). Further, it is described that a protective layer is provided on the side of the catalyst layer opposite to the hydrogen storage layer (claim 5).
また、クロミック材料は、雰囲気ガスの制御を行うことにより、調光窓等の調光部材としても利用することができる。
一般に、建物において、窓は、光・熱が出入りする割合が大きい場所になっている。例えば、冬の暖房時に、窓から光・熱が流出する割合は、建物から流出する熱全体の5割程度であり、夏の冷房時に、窓から光・熱が流入する割合は、建物に流入する熱全体の7割程度である。したがって、窓における光・熱の出入りを適切に制御することにより、膨大な省エネルギー効果を得ることができる。
Further, the chromic material can be used as a light control member such as a light control window by controlling the atmospheric gas.
Generally, in buildings, windows are the places where a large proportion of light and heat enter and exit. For example, during heating in the winter, the proportion of light and heat flowing out from windows is about 50% of the total heat flowing out of the building, and during cooling in the summer, the proportion of light and heat flowing through the windows is approximately 50%. This accounts for about 70% of the total heat generated. Therefore, by appropriately controlling the inflow and outflow of light and heat through windows, enormous energy savings can be achieved.
酸化タングステン(WO3)薄膜をガラス基材上に形成したエレクトロクロミック調光窓は、現在ほぼ実用化段階に達しており、市販品も出されている。また、ガスクロミック調光窓は、対向電極や電圧印加手段等を要さず、調光部材と接する雰囲気のガスを切り替えるだけで、調光可能であるから、エレクトロクロミック調光ガラスに比べて、簡単な構造で、低コストで製造することが可能である。そのため、調光部材の材料や調光窓の構造について、多くの検討がなされている(非特許文献1、特許文献4~6参照)。 Electrochromic dimming windows in which a tungsten oxide (WO 3 ) thin film is formed on a glass substrate have almost reached the stage of practical use, and commercial products are also available. In addition, gaschromic light control windows do not require counter electrodes or voltage application means, and can be dimmed simply by switching the gas in the atmosphere in contact with the light control member, so compared to electrochromic light control glass, It has a simple structure and can be manufactured at low cost. Therefore, many studies have been made on the material of the light control member and the structure of the light control window (see Non-Patent Document 1 and Patent Documents 4 to 6).
非特許文献1には、透明基材に、オキシ水酸化ニッケル粒子の表面にナノパラジウム粒子が付着している混合物の層が形成されてなるガスクロミック調光素子が記載されている(Abstract)。 Non-Patent Document 1 describes a gaschromic light control element in which a layer of a mixture in which nanopalladium particles are attached to the surface of nickel oxyhydroxide particles is formed on a transparent substrate (Abstract).
前記の特許文献4には、クロミック反応を示す水素吸蔵層と触媒層とを備える水素吸蔵体をガスクロミック型調光素子に用いることも記載されている(請求項6)。 Patent Document 4 also describes that a hydrogen storage body including a hydrogen storage layer and a catalyst layer that exhibits a chromic reaction is used in a gas chromic light control element (claim 6).
特許文献5には、基板上に形成されたクロミック特性を有する酸化タングステン層、及び触媒層を有し、前記触媒層が二酸化ケイ素薄膜と、前記二酸化ケイ素薄膜中に分散したパラジウム粒子を含む調光素子が開示されている(請求項1、段落[0001])。 Patent Document 5 discloses a light control device having a tungsten oxide layer having chromic characteristics formed on a substrate and a catalyst layer, the catalyst layer including a silicon dioxide thin film and palladium particles dispersed in the silicon dioxide thin film. An element is disclosed (Claim 1, paragraph [0001]).
特許文献6には、ガスクロミック特性を有するプルシアンブルー型金属錯体と、前記金属錯体の酸化還元反応を促進する触媒ナノ粒子とを含む調光層を備えた調光素子について記載されている(請求項1)。 Patent Document 6 describes a light control element equipped with a light control layer containing a Prussian blue metal complex having gaschromic properties and catalyst nanoparticles that promote a redox reaction of the metal complex. Item 1).
しかしながら、特許文献1では、エレクトロクロミック特性を利用して水素ガスを検出するために、電位計等を必要とし、水素センサーの構造が複雑となる。 However, in Patent Document 1, in order to detect hydrogen gas using electrochromic characteristics, an electrometer or the like is required, and the structure of the hydrogen sensor becomes complicated.
また、特許文献2及び3に記載の水素ガスセンサーの製造方法では、スパッタリングの条件に応じて、クロミック特性を示すアモルファス相のWO3膜又はCeO2が複合したWO3膜を得ることができる。しかし、特許文献2及び3に記載の金属酸化物を用いた膜は、耐候性が弱いことが知られている。また、水素ガスセンサーとして良好な特性を示すためには、水素検出素子(WO3膜)の表面に白金などの貴金属触媒を大量に使用する必要がある。
非特許文献1及び特許文献5に記載の調光素子も、金属酸化物を水素検知層としているため、耐候性に問題があることは、特許文献2、3と同様である。
Further, in the hydrogen gas sensor manufacturing methods described in Patent Documents 2 and 3, depending on the sputtering conditions, it is possible to obtain an amorphous phase WO 3 film exhibiting chromic characteristics or a CeO 2 composite WO 3 film. However, the films using metal oxides described in Patent Documents 2 and 3 are known to have weak weather resistance. In addition, in order to exhibit good characteristics as a hydrogen gas sensor, it is necessary to use a large amount of a noble metal catalyst such as platinum on the surface of the hydrogen detection element (WO 3 film).
The light control elements described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 5 also have problems with weather resistance, as in Patent Documents 2 and 3, because the metal oxide is used as the hydrogen detection layer.
特許文献4、6には、水素検知能を有するガスクロミック材料としてプルシアンブルー型錯体が記載されている。しかし、この材料を水分が存在している環境で使用すると、水に簡単に溶けてしまうため、耐候性が十分でないという問題がある。特許文献4には、触媒層の水素吸蔵層とは反対側に水素透過性及び水に対する非透過性を有する保護層を設けることが記載されている(請求項5、段落[0047]、[0048])。しかし、水素ガスは、水相を介する透過性が大きいから、水に対する非透過性と水素透過性を両立することは困難であり、水素検知が正確に行われない惧れがある。
特許文献6には、調光層を構成するプルシアンブルー型金属錯体粒子の表面にアミノ基とアルキル基との双方を有する化合物を吸着させて有機溶媒分散性を向上させてもよいことが記載されてる(段落[0058])。しかし、このような表面処理は、調光層への水素ガスの透過を阻害するから、迅速かつ十分な調光が行われない惧れがある。
Patent Documents 4 and 6 describe a Prussian blue type complex as a gaschromic material having hydrogen detection ability. However, when this material is used in an environment where moisture is present, it easily dissolves in water, so there is a problem that it does not have sufficient weather resistance. Patent Document 4 describes that a protective layer having hydrogen permeability and water impermeability is provided on the opposite side of the catalyst layer from the hydrogen storage layer (Claim 5, paragraphs [0047] and [0048 ]). However, since hydrogen gas has high permeability through the aqueous phase, it is difficult to achieve both water impermeability and hydrogen permeability, and there is a risk that hydrogen detection may not be performed accurately.
Patent Document 6 describes that organic solvent dispersibility may be improved by adsorbing a compound having both an amino group and an alkyl group on the surface of the Prussian blue metal complex particles constituting the light control layer. (paragraph [0058]). However, such surface treatment inhibits the permeation of hydrogen gas into the light control layer, so there is a risk that quick and sufficient light control may not be achieved.
本発明は、水及び水蒸気が多い環境中にあっても、耐候性を有し、正確な水素検知を迅速に行うことができる水素検知素子を提供することを課題とする。
また、本発明は、上記の水素検知素子を用いて、正確な水素検知を迅速に行うことができる水素センサーを提供することを課題とする。
さらに、本発明は、上記の水素検知素子を用いた感度の高い調光部材、及び前記調光部材を備えた調光窓を提供することを課題とする。
An object of the present invention is to provide a hydrogen sensing element that is weather resistant and capable of quickly and accurately detecting hydrogen even in an environment containing a lot of water and steam.
Another object of the present invention is to provide a hydrogen sensor that can quickly and accurately detect hydrogen using the above-mentioned hydrogen sensing element.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a highly sensitive light control member using the above-mentioned hydrogen detection element, and a light control window equipped with the light control member.
本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用するものである。
[1]金属シアノ錯体と触媒ナノ粒子とを含むガスクロミック特性を有する水素検知層を備えた水素検知素子であって、
前記金属シアノ錯体及び前記触媒ナノ粒子は疎水化されており、かつ、
前記水素検知層は、ガスと接する面の水滴との接触角が15.0°以上75.0°以下である、水素検知素子。
The present invention adopts the following means in order to solve the above problems.
[1] A hydrogen sensing element comprising a hydrogen sensing layer having gaschromic properties including a metal cyano complex and catalyst nanoparticles,
The metal cyano complex and the catalyst nanoparticles are hydrophobized, and
The hydrogen sensing layer is a hydrogen sensing element in which the contact angle with water droplets on the surface in contact with gas is 15.0° or more and 75.0° or less.
[2]前記金属シアノ錯体及び前記触媒ナノ粒子は、アミノ基とアルキル基を有する化合物で修飾されている、前記[1]の水素検知素子。 [2] The hydrogen sensing element according to [1], wherein the metal cyano complex and the catalyst nanoparticle are modified with a compound having an amino group and an alkyl group.
[3]前記金属シアノ錯体は、還元電位が-0.38[VvsAg/AgNO3]以上であり、酸化電位が+0.46[VvsAg/AgNO3]以下である、前記[1]又は[2]の水素検知素子。 [3] The metal cyano complex has a reduction potential of -0.38 [VvsAg/AgNO 3 ] or more and an oxidation potential of +0.46 [VvsAg/AgNO 3 ] or less, [1] or [2] hydrogen detection element.
[4]前記金属シアノ錯体は、還元電位が-0.38[VvsAg/AgNO3]以上であり、酸化電位が+0.46[VvsAg/AgNO3]以上、+2.14[VvsAg/AgNO3]以下である、前記[1]又は[2]の水素検知素子。 [4] The metal cyano complex has a reduction potential of -0.38 [VvsAg/AgNO 3 ] or more, and an oxidation potential of +0.46 [VvsAg/AgNO 3 ] or more and +2.14 [VvsAg/AgNO 3 ] or less. The hydrogen sensing element according to [1] or [2] above.
[5]前記触媒ナノ粒子は、パラジウム、パラジウム合金、白金、及び白金合金からなる群より選択される一種以上を含む、前記[1]~[4]のいずれか一の水素検知素子。 [5] The hydrogen sensing element according to any one of [1] to [4], wherein the catalyst nanoparticles include one or more selected from the group consisting of palladium, palladium alloy, platinum, and platinum alloy.
[6]前記触媒ナノ粒子の平均粒径が1nm以上100nm以下である、前記[1]~[5]のいずれか一の水素検知素子。 [6] The hydrogen sensing element according to any one of [1] to [5] above, wherein the catalyst nanoparticles have an average particle size of 1 nm or more and 100 nm or less.
[7]前記水素検知層は、膜厚が10nm以上2μm以下である前記[1]~[6]のいずれか一に記載の水素検知素子。
[8]前記水素検知層は、前記触媒ナノ粒子が前記金属シアノ錯体中に分散されてなる、前記[1]~[7]のいずれか一の水素検知素子。
[7] The hydrogen sensing element according to any one of [1] to [6], wherein the hydrogen sensing layer has a thickness of 10 nm or more and 2 μm or less.
[8] The hydrogen sensing element according to any one of [1] to [7], wherein the hydrogen sensing layer is formed by dispersing the catalyst nanoparticles in the metal cyano complex.
[9]前記水素検知層は、前記金属シアノ錯体を含む層の上に、前記触媒ナノ粒子を含む層が積層されてなる、前記[1]~[7]のいずれか一に記載の水素検知素子。 [9] The hydrogen detection layer according to any one of [1] to [7], wherein the hydrogen detection layer is formed by laminating a layer containing the catalyst nanoparticles on the layer containing the metal cyano complex. element.
[10]前記[1]~[9]のいずれか一の水素検知素子を用いた水素センサーであって、前記水素検知層が基材上に形成されている、水素センサー。 [10] A hydrogen sensor using the hydrogen sensing element according to any one of [1] to [9] above, wherein the hydrogen sensing layer is formed on a base material.
[11]前記基材は、ガラス基材、金属基材、セラミック基材、又はプラスチック基材である、前記[10]の水素センサー。 [11] The hydrogen sensor according to [10] above, wherein the base material is a glass base material, a metal base material, a ceramic base material, or a plastic base material.
[12]前記[1]~[9]のいずれか一の水素検知素子を用いた調光部材であって、前記水素検知層が透明基材上に形成されている、調光部材。 [12] A light control member using the hydrogen sensing element according to any one of [1] to [9] above, wherein the hydrogen sensing layer is formed on a transparent base material.
[13]前記[12]の調光部材と、
前記調光部材の前記水素検知層側に対向して配置された他の透明基材と、
前記調光部材と前記他の透明基材との間隙の雰囲気を、水素又は水素を含むガスと、酸素、オゾン又は酸素、オゾンの一以上を含む酸化性ガスとを切り替えて給排気することによって制御する雰囲気制御手段と、
を備えた、調光窓。
[13] The light control member of [12] above;
another transparent base material disposed opposite to the hydrogen sensing layer side of the light control member;
By supplying and exhausting the atmosphere in the gap between the light control member and the other transparent base material by switching between hydrogen or a gas containing hydrogen and oxygen, ozone, or an oxidizing gas containing one or more of oxygen and ozone. atmosphere control means for controlling;
with dimming windows.
本発明の一態様によれば、水及び水蒸気が多い環境中にあっても、耐候性を有し、正確な水素検知を迅速に行うことができる水素検知素子を提供することができる。
また、本発明の他の態様によれば、上記の水素検知素子を用いて、正確な水素検知を迅速に行うことができる水素センサーを提供することができる。
さらに、本発明の他の態様によれば、上記の水素検知素子を用いた感度の高い調光部材、及び前記調光部材を備えた調光窓を提供することができる。
According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a hydrogen sensing element that has weather resistance and can quickly and accurately detect hydrogen even in an environment containing a lot of water and steam.
Further, according to another aspect of the present invention, it is possible to provide a hydrogen sensor that can quickly and accurately detect hydrogen using the above-described hydrogen sensing element.
Furthermore, according to other aspects of the present invention, it is possible to provide a highly sensitive light control member using the above hydrogen sensing element and a light control window equipped with the light control member.
次に、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)を説明するが、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。また、本明細書において、数値範囲を「~」を用いて表す場合は、特記した場合を除き、「~」の両端の数値を含む。 Next, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as "the present embodiment") will be explained, but various modifications and substitutions may be made to the following embodiment without departing from the scope of the present invention. I can do it. Furthermore, in this specification, when a numerical range is expressed using "~", the numbers at both ends of "~" are included, unless otherwise specified.
[水素検知素子]
本実施形態に係る水素検知素子は、疎水化した金属シアノ錯体(以下、「疎水化金属シアノ型錯体」ともいう。)と疎水化した触媒ナノ粒子(以下、「疎水化触媒ナノ粒子」ともいう。)を含むガスクロミック特性を有する水素検知層を有する。
なお、本明細書において、「疎水化」とは、「金属シアノ錯体」及び「触媒ナノ粒子」を、水分散性ではなく、有機溶媒分散性にすることをいう。
[Hydrogen detection element]
The hydrogen sensing element according to the present embodiment includes a hydrophobized metal cyano complex (hereinafter also referred to as a "hydrophobized metal cyano type complex") and a hydrophobized catalyst nanoparticle (hereinafter also referred to as a "hydrophobized catalyst nanoparticle"). ) has a hydrogen sensing layer with gas chromic properties.
In addition, in this specification, "hydrophobicization" refers to making the "metal cyano complex" and the "catalyst nanoparticles" dispersible in organic solvents instead of dispersible in water.
本実施形態に係る水素検知層10は、一例として、図1に示すように、疎水化金属シアノ型錯体10aと疎水化触媒ナノ粒子10bを混在させた構造とすることができる。水素検知層10は、雰囲気ガスとの酸化還元反応により、可逆的に光透過率が変化する、即ち、無色(透明)状態と着色状態の間で、可逆的に変化する。水素検知層が疎水化された材料からなるため、水分が多いところでも、酸化、分解を被ることなく、高い水素検知能を発揮することができる。触媒ナノ粒子10bは、金属シアノ錯体10aの酸化還元反応の触媒として機能する。この場合、図1に示すように、触媒ナノ粒子10bの一部が、水素検知層の表面に露出していてもよい。 For example, as shown in FIG. 1, the hydrogen sensing layer 10 according to the present embodiment can have a structure in which a hydrophobized metal cyano complex 10a and a hydrophobization catalyst nanoparticle 10b are mixed. The hydrogen sensing layer 10 reversibly changes its light transmittance through an oxidation-reduction reaction with the atmospheric gas, that is, it reversibly changes between a colorless (transparent) state and a colored state. Since the hydrogen detection layer is made of a hydrophobic material, it can exhibit high hydrogen detection performance even in areas with a lot of moisture without being subject to oxidation or decomposition. The catalyst nanoparticles 10b function as a catalyst for the redox reaction of the metal cyano complex 10a. In this case, as shown in FIG. 1, a portion of the catalyst nanoparticles 10b may be exposed on the surface of the hydrogen sensing layer.
図2は、本実施形態に係る水素検知層10の他の例である。金属シアノ錯体層20aの表面に、触媒ナノ粒子を含む触媒ナノ粒子層20bが付着してなる積層体構造とすることもできる。 FIG. 2 shows another example of the hydrogen sensing layer 10 according to this embodiment. It is also possible to have a laminate structure in which a catalyst nanoparticle layer 20b containing catalyst nanoparticles is attached to the surface of the metal cyano complex layer 20a.
図3は、本実施形態に係る水素検知素子130の一例を示し、図1に示す水素検知層10を基材120上に積層したものである。この場合、水素検知層10の膜厚は、10nm以上2μm以下であると好ましく、50nm以上1μm以下であるとより好ましい。水素検知層10の膜厚が10nm以上2μm以下であると、水素検知層10の色の変化を視認しやすくなる。 FIG. 3 shows an example of a hydrogen sensing element 130 according to this embodiment, in which the hydrogen sensing layer 10 shown in FIG. 1 is laminated on a base material 120. In this case, the thickness of the hydrogen sensing layer 10 is preferably 10 nm or more and 2 μm or less, more preferably 50 nm or more and 1 μm or less. When the thickness of the hydrogen sensing layer 10 is 10 nm or more and 2 μm or less, the change in color of the hydrogen sensing layer 10 becomes easier to visually recognize.
図2に示す金属シアノ錯体層20aと触媒ナノ粒子層20bとを積層させた水素検知層20を用いて水素検知素子としてもよい。この場合、金属シアノ錯体層20aの厚さは、10nm以上1.9μm以下であることが好ましく、50nm以上1μm以下であることがより好ましい。触媒ナノ粒子層20bの厚さは、2nm以上100nm以下であることが好ましく、2nm以上50nm以下であることがより好ましい。 A hydrogen sensing element may be formed using a hydrogen sensing layer 20 in which a metal cyano complex layer 20a and a catalyst nanoparticle layer 20b shown in FIG. 2 are laminated. In this case, the thickness of the metal cyano complex layer 20a is preferably 10 nm or more and 1.9 μm or less, more preferably 50 nm or more and 1 μm or less. The thickness of the catalyst nanoparticle layer 20b is preferably 2 nm or more and 100 nm or less, more preferably 2 nm or more and 50 nm or less.
[水素検知素子の作製方法]
本実施形態に係る水素検知素子は、金属シアノ錯体10aと触媒ナノ粒子10bとを含む分散液を調製し、湿式塗布法によって、水素検知層10を基材120上に形成して作製することができる。分散液の調製のために用いられる溶媒としては、有機溶剤であれば特に限定されないが、ヘキサン、ベンゼン、ジエチルエーテル、エタノール、ブタノール、クロロホルム、酢酸エチル、トルエン、無極性有機溶剤等が挙げられる。中でも、トルエンが好ましい。
[Method for manufacturing hydrogen sensing element]
The hydrogen sensing element according to this embodiment can be produced by preparing a dispersion containing the metal cyano complex 10a and the catalyst nanoparticles 10b, and forming the hydrogen sensing layer 10 on the base material 120 by a wet coating method. can. The solvent used for preparing the dispersion is not particularly limited as long as it is an organic solvent, and examples thereof include hexane, benzene, diethyl ether, ethanol, butanol, chloroform, ethyl acetate, toluene, and non-polar organic solvents. Among them, toluene is preferred.
湿式塗布法としては、特に限定されないが、スピンコート法、スプレーコート法、ディップコート法、ドロップコート法、ロール・ツー・ロール法等が挙げられる。湿式塗布法を採用することにより、表面積が大きい水素検知層10を高速で形成することができる。また、高価な真空装置等を用いないため、従来の無機材料や金属を用いる場合に比べて、非常に低コストで、水素検知素子130を製造することが可能となる。 Wet coating methods include, but are not particularly limited to, spin coating methods, spray coating methods, dip coating methods, drop coating methods, roll-to-roll methods, and the like. By employing the wet coating method, the hydrogen sensing layer 10 with a large surface area can be formed at high speed. Further, since an expensive vacuum device or the like is not used, the hydrogen sensing element 130 can be manufactured at a much lower cost than when conventional inorganic materials or metals are used.
水素検知素子は、金属シアノ錯体を含む分散液及び触媒ナノ粒子を含む分散液をそれぞれ調製して、順に基材に湿式塗布することにより作製してもよい。分散液の調製のために用いられる溶媒としては、特に限定されず、上記と同様のものが挙げられ、中でも、トルエンが好ましい。 The hydrogen sensing element may be produced by separately preparing a dispersion containing a metal cyano complex and a dispersion containing catalyst nanoparticles, and sequentially wet-coating them onto a substrate. The solvent used for preparing the dispersion is not particularly limited, and the same solvents as mentioned above can be mentioned, and among them, toluene is preferable.
[基材]
基材120を構成する材料としては、特に限定されない。ガラス基材、金属基材、セラミック基材、プラスチック基材等が挙げられる。ガラス基材、例えば、石英、サファイア、ニオブ酸リチウム等の酸化物等が挙げられる。ガラス基材の代わりに、プラスチック基材等の透明基材を用いてもよい。
[Base material]
The material constituting the base material 120 is not particularly limited. Examples include glass substrates, metal substrates, ceramic substrates, plastic substrates, and the like. Examples of glass substrates include quartz, sapphire, and oxides such as lithium niobate. A transparent substrate such as a plastic substrate may be used instead of the glass substrate.
金属基材としては、特に限定されず、例えば、アルミニウム、タンタル、ニッケル、銅、チタン、ニオブおよび鉄等の金属、ならびにステンレス、ジュラルミン等の合金が挙げられる。セラミック基材としては、特に限定されず、例えば、誘電体セラミック材料、フェライト材料、半導体セラミック材料、圧電セラミック材料であってよい。例えば、BaTiO3、CaTiO3、SrTiO3、CaZrO3、SrFeO3、Ni-Zn系フェライト、Mn-Zn系フェライト、Ni-Zn-Cu系フェライト、Mn-Zn-Cu系フェライト、Mn-Zn-Ni系フェライト、スピネル系セラミック、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミック等が挙げられる。セラミック基材は、所望する製品の特性に応じて、上記セラミック材料を主成分として、例えば、Mn化合物、Mg化合物、Si化合物、Fe化合物、Cr化合物、Co化合物、Ni化合物、希土類化合物等の副成分をさらに含んでいてもよい。プラスチック基材を構成する材料としては、特に限定されないが、ポリエチレンテレフタレート(PET)、アクリル樹脂等が挙げられる。プラスチック基材として、セロハンテープ等を用いてもよい。基材の形状としては、特に限定されないが、板状、シート状等が挙げられる。 The metal base material is not particularly limited, and examples thereof include metals such as aluminum, tantalum, nickel, copper, titanium, niobium, and iron, and alloys such as stainless steel and duralumin. The ceramic base material is not particularly limited, and may be, for example, a dielectric ceramic material, a ferrite material, a semiconductor ceramic material, or a piezoelectric ceramic material. For example, BaTiO 3 , CaTiO 3 , SrTiO 3 , CaZrO 3 , SrFeO 3 , Ni-Zn ferrite, Mn-Zn ferrite, Ni-Zn-Cu ferrite, Mn-Zn-Cu ferrite, Mn-Zn-Ni Examples include ferrite-based ceramics, spinel-based ceramics, lead zirconate titanate-based ceramics, and the like. Depending on the characteristics of the desired product, the ceramic base material is made of the above-mentioned ceramic material as a main component, and may contain sub-components such as Mn compounds, Mg compounds, Si compounds, Fe compounds, Cr compounds, Co compounds, Ni compounds, and rare earth compounds. It may further contain components. Materials constituting the plastic base material include, but are not particularly limited to, polyethylene terephthalate (PET), acrylic resin, and the like. Cellophane tape or the like may be used as the plastic base material. The shape of the base material is not particularly limited, but examples include a plate shape, a sheet shape, and the like.
[ガスクロミック特性]
本実施形態に係るガスクロミック特性は、酸化状態にある場合には無色(透明)であり、還元状態にある場合には着色されるものであってよい。また、還元状態にある場合に無色となり、酸化状態にある場合に着色されるものであってもよい。本実施形態においては、金属シアノ錯体が、波長400~870nmの範囲で光の透過率が変化し、無色(透明)状態と着色状態との間で変化し得るので、例えば波長700nmの光の透過率を測定することにより、無色(透明)状態と着色状態とを評価することができる。
[Gaschromic properties]
The gas chromic properties according to this embodiment may be colorless (transparent) when in an oxidized state, and colored when in a reduced state. Further, it may be colorless when in a reduced state and colored when in an oxidized state. In this embodiment, the metal cyano complex has a light transmittance that changes in the wavelength range of 400 to 870 nm, and can change between a colorless (transparent) state and a colored state, so for example, the metal cyano complex transmits light with a wavelength of 700 nm. By measuring the ratio, a colorless (transparent) state and a colored state can be evaluated.
金属シアノ錯体に色変化を起こさせる雰囲気ガスは、水素、酸素、オゾン等を含むガスとすることができる。雰囲気ガスとしては、少なくとも2つのガスの組合せ、すなわち金属シアノ錯体の還元を促すガスと、金属シアノ錯体の酸化を促すガスとの組合せを使用することができる。例えば、還元ガスとして水素を含むガスと、酸化性ガスとして酸素を含むガスとを組み合わせて使用することができる。また、還元ガスとして水素を含むガスと、酸化性ガスとしてオゾンを含むガスとの組合せを使用することができる。上記酸化性ガスとしては、酸素及びオゾンを含むガスを使用することもでき、また空気を使用することもできる。 The atmospheric gas that causes the metal cyano complex to change color can be a gas containing hydrogen, oxygen, ozone, or the like. As the atmospheric gas, a combination of at least two gases, ie, a gas that promotes the reduction of the metal cyano complex and a gas that promotes the oxidation of the metal cyano complex, can be used. For example, a gas containing hydrogen as the reducing gas and a gas containing oxygen as the oxidizing gas can be used in combination. Furthermore, a combination of a gas containing hydrogen as the reducing gas and a gas containing ozone as the oxidizing gas can be used. As the oxidizing gas, a gas containing oxygen and ozone can be used, and air can also be used.
具体的には、水素検知層10の金属シアノ錯体としてプルシアンブルーを用いた場合には、酸化性ガスを水素を含むガスに切り替えると、青色から無色に変化する。また、金属シアノ錯体としてプルシアンブルーと同様の構成であって、ニッケルと鉄を含む錯体を用いた場合には黄色から無色に変化し、銅と鉄を含む錯体を用いた場合には茶色から無色に変化する。 Specifically, when Prussian blue is used as the metal cyano complex of the hydrogen sensing layer 10, when the oxidizing gas is switched to a hydrogen-containing gas, the color changes from blue to colorless. In addition, it has the same composition as Prussian blue as a metal cyano complex, and when a complex containing nickel and iron is used, it changes from yellow to colorless, and when a complex containing copper and iron is used, it changes from brown to colorless. Changes to
本実施形態においては、金属シアノ錯体10aの還元電位が-0.38[VvsAg/AgNO3]以上に存在し、酸化電位が+2.14[VvsAg/AgNO3]以下に存在していると好ましい。これにより、後述の特定の雰囲気ガスに対するガスクロミック特性を有することができる。さらに、酸化電位が+0.46[VvsAg/AgNO3]以下に存在している場合には、後述のように、酸化力がより低いガスを雰囲気ガスの酸化性ガスとして用いることができる。なお、上記電位[VvsAg/AgNO3]は、有機溶媒用の銀-硝酸銀電極を基準にして測定された標準電位である。
金属シアノ錯体の電気化学的特性は、所与の金属シアノ錯体の還元ピーク電位及び酸化ピーク電位をサイクリックボルタンメトリー(CV)により測定することができる。
In the present embodiment, it is preferable that the reduction potential of the metal cyano complex 10a is −0.38 [VvsAg/AgNO 3 ] or higher, and the oxidation potential of the metal cyano complex 10a is +2.14 [VvsAg/AgNO 3 ] or lower. Thereby, it is possible to have gas chromic characteristics with respect to a specific atmospheric gas, which will be described later. Furthermore, when the oxidation potential is below +0.46 [VvsAg/AgNO 3 ], a gas with lower oxidizing power can be used as the oxidizing gas of the atmospheric gas, as described later. Note that the potential [VvsAg/AgNO 3 ] is a standard potential measured with reference to a silver-silver nitrate electrode for organic solvents.
The electrochemical properties of a metal cyano complex can be determined by measuring the reduction peak potential and oxidation peak potential of a given metal cyano complex by cyclic voltammetry (CV).
還元電位が-0.38[VvsAg/AgNO3]以上である金属シアノ錯体を備えた水素検知層10を、水素を含む雰囲気に曝すと、水素検知層10の中に存在している触媒ナノ粒子10b(図1)、又は金属シアノ錯体層20aの上に積層されている触媒ナノ粒子層20b(図2)の触媒作用により、金属シアノ錯体10a又は金属シアノ錯体層20aが還元されて、波長が400~870nmの範囲で光の透過率が変化し、金属シアノ錯体10a又は金属シアノ錯体層20aの色が変化する。 When the hydrogen sensing layer 10 equipped with a metal cyano complex having a reduction potential of -0.38 [VvsAg/AgNO 3 ] or more is exposed to an atmosphere containing hydrogen, catalyst nanoparticles present in the hydrogen sensing layer 10 are removed. 10b (FIG. 1) or the catalyst nanoparticle layer 20b (FIG. 2) laminated on the metal cyano complex layer 20a, the metal cyano complex 10a or the metal cyano complex layer 20a is reduced, and the wavelength changes. The light transmittance changes in the range of 400 to 870 nm, and the color of the metal cyano complex 10a or the metal cyano complex layer 20a changes.
このとき、水素を含む雰囲気と、水素検知層10とにより、以下の反応が起こる。すなわち、金属シアノ錯体10a又は金属シアノ錯体層20aが、その中や表面に付着している触媒ナノ粒子10b又は触媒ナノ粒子層20bの触媒作用によって、以下の式(1)のように水素と反応する。 At this time, the following reaction occurs due to the hydrogen-containing atmosphere and the hydrogen sensing layer 10. That is, the metal cyano complex 10a or the metal cyano complex layer 20a reacts with hydrogen as shown in the following formula (1) by the catalytic action of the catalyst nanoparticles 10b or the catalyst nanoparticle layer 20b attached therein or on the surface. do.
H2→2H++2e-(E=-0.38[VvsAg/AgNO3])…(1)
ここで、Eは、酸化還元電位である。水素を含む雰囲気は、-0.38[VvsAg/AgNO3]の還元能力を有するといえる。よって、金属シアノ錯体の還元電位が-0.38[VvsAg/AgNO3]以上であれば、水素と良好に反応することができる。よって、還元ガスとして、水素を含むガスを用いることで、水素検知素子10に色変化を生じさせることができる。
H 2 → 2H + +2e - (E=-0.38 [VvsAg/AgNO 3 ])...(1)
Here, E is the redox potential. It can be said that the atmosphere containing hydrogen has a reducing ability of -0.38 [VvsAg/AgNO 3 ]. Therefore, if the reduction potential of the metal cyano complex is -0.38 [VvsAg/AgNO 3 ] or higher, it can react well with hydrogen. Therefore, by using a gas containing hydrogen as the reducing gas, it is possible to cause the hydrogen sensing element 10 to change color.
一方、水素検知層10を、空気等の酸素を含む雰囲気に曝すと、酸素と水素検知素子層10とにより、以下の式(2)反応が起こる。
O2+2H2O+4e-→4OH-(E=+0.46[VvsAg/AgNO3])…(2)
すなわち、酸素は、+0.46[VvsAg/AgCl]の酸化能力を有するといえる。そのため、金属シアノ錯体の酸化電位が+0.46[VvsAg/AgCl]以下であれば、酸素と良好に反応することができる。よって、酸化性ガスとして酸素を含むガスを用いることで、水素検知層10に色変化を生じさせることができる。
On the other hand, when the hydrogen sensing layer 10 is exposed to an atmosphere containing oxygen such as air, the following reaction (2) occurs between oxygen and the hydrogen sensing element layer 10.
O 2 +2H 2 O+4e − →4OH − (E=+0.46 [VvsAg/AgNO 3 ])…(2)
That is, it can be said that oxygen has an oxidizing ability of +0.46 [VvsAg/AgCl]. Therefore, if the oxidation potential of the metal cyano complex is +0.46 [VvsAg/AgCl] or less, it can react favorably with oxygen. Therefore, by using a gas containing oxygen as the oxidizing gas, it is possible to cause the hydrogen sensing layer 10 to change color.
また、水素検知層10を、オゾンを含む雰囲気に曝すと、オゾンと水素検知層10とにより、以下の式(3)の反応が起こる。
O3+2H++2e-=O2+H2O (E=+2.14[VvsAg/AgNO3])…(3)
すなわち、オゾンは、+2.14[VvsAg/AgNO3]という酸素より強い酸化能力を有するといえる。そのため、金属シアノ錯体の酸化電位が+0.46[VvsAg/AgNO3]以上であっても、+2.14[VvsAg/AgNO3]以下であれば、オゾンと良好に反応することができる。よって、酸化性ガスとして、オゾンを含むガスを用いることで、水素検知層10に色変化を生じさせることができる。
Further, when the hydrogen sensing layer 10 is exposed to an atmosphere containing ozone, a reaction expressed by the following formula (3) occurs between ozone and the hydrogen sensing layer 10.
O 3 +2H + +2e - =O 2 +H 2 O (E=+2.14[VvsAg/AgNO 3 ])...(3)
That is, it can be said that ozone has a stronger oxidizing ability than oxygen, which is +2.14 [VvsAg/AgNO 3 ]. Therefore, even if the oxidation potential of the metal cyano complex is +0.46 [VvsAg/AgNO 3 ] or more, as long as it is +2.14 [VvsAg/AgNO3] or less, it can react favorably with ozone. Therefore, by using a gas containing ozone as the oxidizing gas, it is possible to cause the hydrogen sensing layer 10 to change color.
[金属シアノ錯体]
本実施形態に係る金属シアノ錯体は、金属原子MA及び金属原子MBの間をシアノ基(CN)が架橋してなる結晶である。本明細書において、金属シアノ錯体には、プルシアンブルー及びプルシアンブルーと同様の構造を有する類似物が含まれる。
[Metal cyano complex]
The metal cyano complex according to the present embodiment is a crystal in which a cyano group (CN) bridges a metal atom MA and a metal atom MB . As used herein, metal cyano complexes include Prussian blue and analogues having a similar structure to Prussian blue.
使用する金属シアノ錯体としては、基本の組成式が、
AxMA[MB(CN)6]y・zH2O…(4)
として表されるものであればよい。式(4)中、Aは陽イオンであり、MA、MBはそれぞれ金属原子である。上式では、シアノ基(CN)の一部がヒドロキシル基、アミノ基、ニトロ基、ニトロソ基、水等で置換されていてもよい。
The basic compositional formula of the metal cyano complex used is:
A x M A [ MB (CN) 6 ] y・zH 2 O…(4)
It is acceptable as long as it is expressed as . In formula (4), A is a cation, and M A and M B are each metal atoms. In the above formula, a part of the cyano group (CN) may be substituted with a hydroxyl group, an amino group, a nitro group, a nitroso group, water, or the like.
式(4)中、金属原子MAは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種又は二種以上の金属である。金属原子MAとしては鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、銅、マンガン、又は亜鉛が好ましく、鉄、銅、又はニッケルがより好ましい。金属原子MAに二種の金属の組み合わせを利用する場合には、鉄とニッケルとの組み合わせ、鉄と銅との組み合わせ、又はニッケルと銅との組み合わせが好ましく、鉄とニッケルとの組み合わせがより好ましい。 In formula (4), the metal atom M A is vanadium, chromium, manganese, iron, ruthenium, cobalt, rhodium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, zinc, lanthanum, europium, gadolinium, lutetium, barium, strontium, and calcium. The metal atom MA is preferably iron, cobalt, nickel, vanadium, copper, manganese, or zinc, and more preferably iron, copper, or nickel. When using a combination of two metals for the metal atom MA , a combination of iron and nickel, a combination of iron and copper, or a combination of nickel and copper is preferable, and a combination of iron and nickel is more preferable. preferable.
式(4)中、金属原子MBは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種又は二種以上の金属原子である。中でも金属原子MBとしては鉄、クロム、若しくはコバルトが好ましく、鉄が特に好ましい。金属原子MBについては、鉄とクロムとの組み合わせ、鉄とコバルトとの組み合わせ、又はクロムとコバルトとの組み合わせが好ましく、鉄とクロムとの組み合わせがより好ましい。 In formula (4), the metal atom M is one or more metal atoms selected from the group consisting of vanadium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, iron, ruthenium, cobalt, nickel, platinum, and copper. . Among them, iron, chromium, or cobalt is preferable as the metal atom MB , and iron is particularly preferable. Regarding the metal atom M B , a combination of iron and chromium, a combination of iron and cobalt, or a combination of chromium and cobalt is preferred, and a combination of iron and chromium is more preferred.
式(4)中、陽イオンAは必ずしも含有する必要はなく、含有している場合は、カリウム、ナトリウム、セシウム、ルビジウム、水素、アンモニアなどが挙げられるが、それらに制限されるものではない。また、陰イオンなど他の材料を含有していてもよい。また、水(H2O)も必ずしも含有する必要はない。また、半分以上がこの組成式で表される構造を保っていれば、別の錯体等と混合していてもよい。例えば、光学応答性、触媒活性、分散性、基材への吸着性等の向上のために金属イオン、有機分子、別の金属錯体等を吸着させる場合もあるが、このような場合でも、色変化する部分の主たる構造が上記組成式であればよい。 In formula (4), the cation A does not necessarily need to be contained, and when it is contained, examples include, but are not limited to, potassium, sodium, cesium, rubidium, hydrogen, and ammonia. Further, it may contain other materials such as anions. Moreover, it is not necessary to necessarily contain water (H 2 O). Further, as long as half or more of the complex maintains the structure represented by this compositional formula, it may be mixed with another complex or the like. For example, metal ions, organic molecules, other metal complexes, etc. may be adsorbed to improve optical response, catalytic activity, dispersibility, adsorption to substrates, etc. Even in such cases, color It suffices if the main structure of the changing portion has the above compositional formula.
式(4)中、xは0~3の数であり、0~1の数であることが好ましい。yは0.3~1.5の数であり、0.5~1の数であることが好ましい。zは0~30の数であり、5~15の数であることが好ましい。 In formula (4), x is a number from 0 to 3, preferably a number from 0 to 1. y is a number from 0.3 to 1.5, preferably from 0.5 to 1. z is a number from 0 to 30, preferably from 5 to 15.
上述のように金属シアノ錯体は、金属原子MA及び金属原子MBの間をシアノ基(CN)が架橋してなる結晶であるが、この結晶の周囲には、金属原子MCの陽イオン及び/又は金属原子MDを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンを結合させたものが配置されていてもよい。金属原子MCは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種又は二種以上の金属原子であってよい。また、金属原子MDは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種又は二種以上の金属原子であってよい。 As mentioned above, a metal cyano complex is a crystal formed by a cyano group (CN) bridged between a metal atom M A and a metal atom M B , but around this crystal there are cations of the metal atom M C And/or a metal cyano complex anion having a metal atom MD as a central metal bound thereto may be arranged. The metal atom M C is from the group consisting of vanadium, chromium, manganese, iron, ruthenium, cobalt, rhodium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, zinc, lanthanum, europium, gadolinium, lutetium, barium, strontium, and calcium. It may be one or more selected metal atoms. Further, the metal atom MD may be one or more metal atoms selected from the group consisting of vanadium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, iron, ruthenium, cobalt, nickel, platinum, and copper.
[金属シアノ錯体の疎水化]
本実施形態は、金属シアノ錯体を疎水化する、すなわち、有機溶媒分散性を高めることを特徴とする。その手段としては、金属シアノ錯体粒子の表面に、疎水性を向上させるための修飾分子を吸着させることが好ましい。かかる観点から、金属シアノ錯体に、アミノ基を有する化合物を共存させることが好ましい。アミノ基を有する化合物はイオンの状態であってもよい。
[Hydrophobization of metal cyano complex]
This embodiment is characterized in that the metal cyano complex is made hydrophobic, that is, its dispersibility in organic solvents is improved. As a means for this, it is preferable to adsorb modification molecules for improving hydrophobicity onto the surface of the metal cyano complex particles. From this point of view, it is preferable to coexist a compound having an amino group in the metal cyano complex. The compound having an amino group may be in an ionic state.
トルエン、ベンゼン又はブタノール等のアルコールを利用して金属シアノ錯体を分散する場合は、有機溶媒分散性を向上させるために、アミノ基とアルキル基(好ましくは炭素数3~100、より好ましくは3~30であり、さらに好ましくは炭素数3~18)の双方を有するアミン化合物であることが好ましく、上記のアミン化合物と、フェロシアン化物イオン又はフェリシアン化物イオンとを組み合わせることがさらに好ましい。アミン化合物は、具体的には、オレイルアミン、ステアリルアミン、プロピルアミン、ヘキシルアミン等が好ましく、特にオレイルアミン、ヘキシルアミン、プロピルアミンが好ましい。フェロシアン化物イオン又はフェリシアン化物イオンと組み合わせる場合は、特にオレイルアミン、プロピルアミンが好ましい。アミン化合物の濃度は金属シアノ錯体に対して0.5当量(モル)から3当量までが好ましい。 When dispersing the metal cyano complex using an alcohol such as toluene, benzene or butanol, in order to improve the organic solvent dispersibility, an amino group and an alkyl group (preferably 3 to 100 carbon atoms, more preferably 3 to 100 carbon atoms) are used to disperse the metal cyano complex. 30, more preferably 3 to 18 carbon atoms), and it is even more preferable to combine the above amine compound with a ferrocyanide ion or a ferricyanide ion. Specifically, the amine compound is preferably oleylamine, stearylamine, propylamine, hexylamine, etc., with oleylamine, hexylamine, and propylamine being particularly preferable. When combined with ferrocyanide ion or ferricyanide ion, oleylamine and propylamine are particularly preferred. The concentration of the amine compound is preferably from 0.5 equivalent (mol) to 3 equivalent relative to the metal cyano complex.
分散液における疎水化金属シアノ錯体粒子の濃度は特に限定されないが、良好な塗布及び製膜性を考慮すると、塗布法によって適当な濃度に調整する必要がある。例えば、スピンコート法によって塗布を行う場合には、1質量%以上50質量%以下であることが好ましく、スプレー法を利用する場合には、0.1質量%以上15質量%以下が好ましい。 The concentration of the hydrophobized metal cyano complex particles in the dispersion is not particularly limited, but in consideration of good coating and film-forming properties, it is necessary to adjust the concentration to an appropriate concentration by a coating method. For example, when coating is performed by a spin coating method, the content is preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less, and when a spray method is used, the content is preferably 0.1% by mass or more and 15% by mass or less.
疎水化金属シアノ錯体の粒径としては、溶媒に均一に分散するために平均粒径500nm以下が好ましく、さらには平均粒径200nm以下が好ましい。平均粒径の下限は特にないが、製法上3nm以上であることが実際的である。なお、本明細書における平均粒径は、動的光散乱法(光子相関法)によって求められた粒度分布の平均粒径である。 The particle size of the hydrophobized metal cyano complex is preferably an average particle size of 500 nm or less, more preferably an average particle size of 200 nm or less, in order to be uniformly dispersed in the solvent. Although there is no particular lower limit to the average particle size, it is practical for the average particle size to be 3 nm or more due to the manufacturing method. Note that the average particle size in this specification is the average particle size of a particle size distribution determined by a dynamic light scattering method (photon correlation method).
[触媒ナノ粒子]
触媒ナノ粒子を構成する材料としては、用いられる金属シアノ錯体の酸化還元反応の触媒として機能すれば、特に限定されないが、パラジウム、パラジウム合金、白金、白金合金等が挙げられ、二種以上併用してもよい。
[Catalyst nanoparticles]
The material constituting the catalyst nanoparticles is not particularly limited as long as it functions as a catalyst for the redox reaction of the metal cyano complex used, but palladium, palladium alloys, platinum, platinum alloys, etc. may be used, and two or more types may be used in combination. You can.
触媒ナノ粒子の粒径をナノサイズとすることにより、単位体積当たりの表面積が増加することから、例えばミクロンオーダーの粒子と比較して触媒能を向上させることができる。触媒ナノ粒子の平均粒径は、1nm以上100nm以下であることが好ましく、1nm以上30nm以下であるとより好ましい。 By making the catalyst nanoparticles nanosized, the surface area per unit volume increases, so that the catalytic ability can be improved compared to, for example, micron-order particles. The average particle size of the catalyst nanoparticles is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, more preferably 1 nm or more and 30 nm or less.
[触媒ナノ粒子の疎水化]
本実施形態に係る疎水化触媒ナノ粒子は、アミノ基又はチオール基を有する化合物等による保護層が粒子表面に形成されていることが好ましい。保護層は、有機溶媒分散性を高めると共に、水の影響を避け、触媒粒子の粒径の増大を抑制するために設けられる。
[Hydrophobization of catalyst nanoparticles]
It is preferable that the hydrophobization catalyst nanoparticles according to this embodiment have a protective layer formed on the surface of the particles using a compound having an amino group or a thiol group. The protective layer is provided in order to improve dispersibility in organic solvents, avoid the influence of water, and suppress increase in the particle size of catalyst particles.
アミノ基又はチオール基を有する化合物としては、特に限定されないが、例えば、下記一般式(5)
R1-NH2 …(5)
[式中、R1は炭素数2~20の一価の基で、飽和炭化水素基又は不飽和炭化水素基を示す。]
で表されるアミンを挙げることができ、アミン基の具体例としては下記式(6)で表されるドデシルアミンを挙げることができる。
The compound having an amino group or a thiol group is not particularly limited, but for example, the following general formula (5)
R 1 -NH 2 (5)
[In the formula, R 1 is a monovalent group having 2 to 20 carbon atoms and represents a saturated hydrocarbon group or an unsaturated hydrocarbon group. ]
Examples of the amine group include dodecylamine represented by the following formula (6).
疎水化触媒ナノ粒子は、例えば、室温の反応槽中に、主成分としての白金を含む金属化合物のトルエン有機溶液、保護層を構成するドデシルアミンのトルエン溶液、及び水素化ホウ素ナトリウム還元剤(NaBH4)を反応させることにより、白金を含む疎水化触媒ナノ粒子を合成することができる。
保護層を形成するアミン化合物の濃度は、触媒ナノ粒子に対してモル量で10倍から30倍が好ましい。
The hydrophobization catalyst nanoparticles are prepared, for example, in a reaction tank at room temperature by a toluene organic solution of a metal compound containing platinum as a main component, a toluene solution of dodecylamine constituting the protective layer, and a sodium borohydride reducing agent (NaBH). 4 ), hydrophobized catalyst nanoparticles containing platinum can be synthesized.
The concentration of the amine compound forming the protective layer is preferably 10 to 30 times the molar amount of the catalyst nanoparticles.
[水濡れ性の増加処理]
本実施形態においては、水素検知層への水素ガスの浸透が迅速に行われるように、水素検知層のガスと接する面の水濡れ性の増加処理を行う。この処理には、UVオゾンクリーナー装置を使用することが好ましい。UVオゾンクリーナー装置から照射される184.9nmの波長の紫外線は、有機物の炭素-炭素結合を分解するとともに、酸素分子を分解して酸素原子を生成し、酸素原子は空気中の酸素分子O2と結合して、オゾンO3を生成する。同時に照射される253.7nmの波長の紫外線は、オゾンを分解して活性酸素O-を生成し、活性酸素は有機物の分解炭素と結合して揮発ガスとなり、疎水基を除去することができる。したがって、UVオゾンクリーナー装置によるUV照射を制御することにより、水素検知層表面の疎水基の減少(水濡れ性の増加)を制御することができる。また、水素検知層表面の水濡れ性は、表面と水滴との接触角θを測定して評価することができる。
水素検知層の表面の水濡れ性が増加することによって、水素ガスの浸透が迅速に起こり、ガスクロミック効果が向上する。
[Water wettability increasing treatment]
In this embodiment, a process is performed to increase the water wettability of the surface of the hydrogen sensing layer that comes into contact with gas so that hydrogen gas can quickly permeate into the hydrogen sensing layer. Preferably, a UV ozone cleaner device is used for this treatment. Ultraviolet rays with a wavelength of 184.9 nm emitted from the UV ozone cleaner device decomposes carbon-carbon bonds in organic matter and decomposes oxygen molecules to generate oxygen atoms, which are oxygen molecules in the air O 2 Combines with O3 to produce ozone O3 . The simultaneously irradiated ultraviolet light with a wavelength of 253.7 nm decomposes ozone to generate active oxygen O 2 - , and the active oxygen combines with decomposed carbon of organic matter to become a volatile gas, which can remove hydrophobic groups. Therefore, by controlling the UV irradiation by the UV ozone cleaner device, it is possible to control the decrease in hydrophobic groups (increase in water wettability) on the surface of the hydrogen sensing layer. Further, the water wettability of the surface of the hydrogen sensing layer can be evaluated by measuring the contact angle θ between the surface and water droplets.
By increasing the water wettability of the surface of the hydrogen sensing layer, hydrogen gas penetration occurs quickly and the gas chromic effect is improved.
なお、水濡れ性の増加処理は、熱処理、真空プラズマ処理、大気圧プラズマ処理等によっても行える。例えば、熱処理する場合の温度は、50℃以上150℃以下であることが好ましく、70℃以上145℃以下であるとより好ましい、90℃以上135℃以下であるとより好ましい。 Note that the water wettability increasing treatment can also be performed by heat treatment, vacuum plasma treatment, atmospheric pressure plasma treatment, etc. For example, the temperature in the case of heat treatment is preferably 50°C or more and 150°C or less, more preferably 70°C or more and 145°C or less, and more preferably 90°C or more and 135°C or less.
本実施形態において、接触角θの測定は、協和界面科学株式会社製、モデルECA-1を使用し、液滴法で測定する。具体的には、事前に乾燥炉(温度95度、30分)で乾燥した水素検知層10の表面に水滴を接触させて着滴したとき、着滴0.3秒後におけるパソコンに取得した画像を解析して水滴と水素検知層10表面とのなす角度を算出する。本明細書に記載された接触角θは、同一表面上の三ヶ所を測定し、その三つの数値の平均値を示す。接触角θは、15.0°以上75.0°以下であることが好ましく、20.0°以上60.0°以下であることがより好ましい、25.0°以上45.0°以下であることがより好ましい。 In this embodiment, the contact angle θ is measured by a droplet method using model ECA-1 manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd. Specifically, when water droplets are brought into contact with the surface of the hydrogen sensing layer 10 that has been dried in advance in a drying oven (temperature: 95 degrees Celsius, 30 minutes). is analyzed to calculate the angle between the water droplet and the surface of the hydrogen sensing layer 10. The contact angle θ described in this specification is measured at three locations on the same surface and represents the average value of the three values. The contact angle θ is preferably 15.0° or more and 75.0° or less, more preferably 20.0° or more and 60.0° or less, and 25.0° or more and 45.0° or less. It is more preferable.
[水素センサー]
本実施形態に係る水素検知素子130は、図3に示す水素検知素子130の構成をそのまま採用し、水素センサーとして使用することができる。この水素センサーは、電子式水素検知センサーと異なり、電子機器や電流を外部から導入する必要がない。そのため、電子式水素検知センサーと比較し、大きな構造の自由度が生じる。なお、酸化還元を誘起するガスが適切に触媒に到達し、触媒と金属シアノ錯体とがある程度接近して設置されていれば、本実施形態は図3に示す構成に限定されない。例えば、金属シアノ錯体を不織布などに担持し、さらに触媒ナノ粒子をその中に担持した構造等も挙げられる。また、図3の例では基材120の形状は平らな板状であるが、基材は別の形状、例えば球状であってもよい。
[Hydrogen sensor]
The hydrogen sensing element 130 according to this embodiment can employ the configuration of the hydrogen sensing element 130 shown in FIG. 3 as is, and can be used as a hydrogen sensor. Unlike electronic hydrogen detection sensors, this hydrogen sensor does not require external electrical equipment or electrical current. Therefore, compared to electronic hydrogen detection sensors, there is a greater degree of structural freedom. Note that this embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. 3 as long as the gas that induces redox reaches the catalyst appropriately and the catalyst and the metal cyano complex are placed close to each other to some extent. For example, there may be a structure in which a metal cyano complex is supported on a nonwoven fabric, and catalyst nanoparticles are further supported therein. Further, in the example of FIG. 3, the shape of the base material 120 is a flat plate, but the base material may have another shape, for example, a spherical shape.
[調光部材]
本実施形態に係る水素検知素子130は、水素検知層10が透明なガラス等の基材120上に形成される場合、調光部材として用いることができる。
前記調光部材は、図4に例示する調光窓70として用いることができる。調光窓70は、前記水素検知素子(以下、「調光部材」ともいう。)130と、前記水素検知層(以下、「調光層」ともいう。)10側に対向して配置された他の透明基材60と、前記透明基材間の開口部を封止するシール部材40により形成されるガス充填室Sを備える。
[Dimmer component]
The hydrogen sensing element 130 according to this embodiment can be used as a light control member when the hydrogen sensing layer 10 is formed on the base material 120 such as transparent glass.
The light control member can be used as a light control window 70 illustrated in FIG. 4. The light control window 70 is arranged to face the hydrogen sensing element (hereinafter also referred to as "light control member") 130 and the hydrogen detection layer (hereinafter also referred to as "light control layer") 10 side. A gas filling chamber S is provided, which is formed by another transparent base material 60 and a seal member 40 that seals an opening between the transparent base materials.
ガス充填室Sには、予めアルゴンガスが封入されており、雰囲気制御器50により、水素と、酸素又は空気を切り替えて給排気することができる。例えば、雰囲気制御器50は、水を電気分解して水素又は酸素をガス充填室Sに給気し、真空ポンプを用いて、ガス充填室Sから水素又は酸素を排気することができる。 The gas filling chamber S is filled with argon gas in advance, and the atmosphere controller 50 can switch between hydrogen, oxygen, or air to supply and exhaust the gas. For example, the atmosphere controller 50 can electrolyze water to supply hydrogen or oxygen to the gas-filled chamber S, and can exhaust hydrogen or oxygen from the gas-filled chamber S using a vacuum pump.
水素又は水素を含む気体がガス充填室Sに給気されると、調光層10が還元されて、色が変化する。また、酸素又は空気等の酸素を含む気体がガス充填室Sに給気されると、調光層10が酸化されて、元の状態になる。 When hydrogen or a gas containing hydrogen is supplied to the gas filling chamber S, the light control layer 10 is reduced and its color changes. Further, when oxygen or a gas containing oxygen such as air is supplied to the gas filling chamber S, the light control layer 10 is oxidized and returns to its original state.
したがって、ガス充填室Sの雰囲気を雰囲気制御器50により制御することにより、調光層10は、還元状態と酸化状態との間で可逆的に光の透過性を制御することができる。また、雰囲気制御器50による給排気を中断すると、還元状態又は酸化状態を保つことができる。これにより、ガスクロミック方式で調光することが可能な調光窓70が得られる。 Therefore, by controlling the atmosphere of the gas filling chamber S using the atmosphere controller 50, the light control layer 10 can reversibly control the light transmittance between the reduced state and the oxidized state. Further, by interrupting the air supply and exhaust by the atmosphere controller 50, the reduced state or the oxidized state can be maintained. Thereby, a light control window 70 capable of controlling light using a gaschromic method is obtained.
現在、新築の家では、複層ガラスを使うことが主流になりつつあるから、複層ガラスの内側に金属シアノ錯体を用いた調光層を備えることで、内部の空間をスイッチング用のガス充填室Sとして利用することができる。 Currently, it is becoming mainstream to use double-glazed glass in newly built houses, so by equipping the inside of the double-glazed glass with a light control layer using a metal cyano complex, the interior space can be filled with gas for switching. It can be used as room S.
以下に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれにより限定して解釈されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below based on Examples, but the present invention is not to be construed as being limited thereto.
<調製1:疎水化金属シアノ錯体粒子の合成>
フェロシアン化ナトリウム・10水和物14.5gを水60mLに溶解した水溶液に、硝酸鉄・9水和物16.2gを水に溶解した水溶液30mLを混合し、5分間攪拌した。析出した青色の沈殿物を遠心分離し、これを水で3回、続いてメタノールで1回洗浄し、減圧下で乾燥した。収量は11.0gであり、収率はFe4[Fe(CN)6]3・15H2Oとして、97.4%であった。
得られた金属シアノ錯体の凝集体5.0gを水10mLとトルエン75mLに懸濁させた。この懸濁液に、オレイルアミン4.0mLを加え、一週間攪拌したところ真青透明溶液ないし分散液へと変化した。その後、硫酸ナトリウム10.0gを加え、三日間攪拌して水分を除去し、遠心分離で上層部液体と下層部沈殿物に分離し、上層部から疎水化金属シアノ錯体粒子のトルエン分散液(A1)を得た。
<Preparation 1: Synthesis of hydrophobized metal cyano complex particles>
To an aqueous solution in which 14.5 g of sodium ferrocyanide decahydrate was dissolved in 60 mL of water, 30 mL of an aqueous solution in which 16.2 g of iron nitrate nonahydrate was dissolved in water was mixed and stirred for 5 minutes. The blue precipitate that separated out was centrifuged, washed three times with water, then once with methanol, and dried under reduced pressure. The yield was 11.0 g, and the yield was 97.4% as Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3.15H 2 O.
5.0 g of the obtained metal cyano complex aggregate was suspended in 10 mL of water and 75 mL of toluene. When 4.0 mL of oleylamine was added to this suspension and stirred for one week, the suspension changed to a deep blue transparent solution or dispersion. Thereafter, 10.0 g of sodium sulfate was added, stirred for three days to remove water, centrifuged to separate the upper layer liquid and lower layer precipitate, and from the upper layer a toluene dispersion of hydrophobized metal cyano complex particles (A1 ) was obtained.
<調製2:疎水化触媒ナノ粒子の合成>
塩化白金(IV)(H2PtCl6)104mg、水10mL、テトラ(デシル)アンモニウムブロミド(C40H84BrN)330mg、及びトルエン30mLを撹拌しながら混合した後、室温で2時間反応させたところ、白金成分が水相から有機相に転移した。さらに、ドデシルアミン(C12H27N)690mgを入れて撹拌したところ、溶液は白色になった。還元剤として水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)125mgを入れて撹拌し、ナノ白金粒子のトルエン分散液を得た。このとき反応前の溶液は、薄い黄色を呈していたが、疎水化ナノ白金粒子が生成すると、液は濃い茶色に変化した。還元反応式は以下のとおりである。
2Pt4+ + BH4
- + 4H2O → 2Pt + B(OH)4
- +8H+ (2)
<Preparation 2: Synthesis of hydrophobized catalyst nanoparticles>
After mixing 104 mg of platinum (IV) chloride (H 2 PtCl 6 ), 10 mL of water, 330 mg of tetra(decyl)ammonium bromide (C 4 0H 84 BrN), and 30 mL of toluene with stirring, the mixture was reacted at room temperature for 2 hours. , the platinum component was transferred from the aqueous phase to the organic phase. Furthermore, when 690 mg of dodecylamine (C 12 H 27 N) was added and stirred, the solution became white. 125 mg of sodium borohydride (NaBH 4 ) was added as a reducing agent and stirred to obtain a toluene dispersion of nanoplatinum particles. At this time, the solution before the reaction had a pale yellow color, but once the hydrophobized nanoplatinum particles were generated, the solution changed to a dark brown color. The reduction reaction formula is as follows.
2Pt 4+ + BH 4 - + 4H 2 O → 2Pt + B(OH) 4 - +8H + (2)
得られた分散液を分液ロートで水400mLと混合し、上層のトルエンを収集した。上層トルエンとエタノール400mLを混合し、-18℃の冷凍庫に24時間保存し、これにより、疎水化ナノ白金粒子の沈殿を得た。この疎水化ナノ白金粒子をトルエンに分散させ、0.5wt%の分散液(B1)を得た。粒径分布分析装置(Photal ELSZ-1000、大塚電子社製)を用いて、動的光散乱法手法によって、ナノ白金粒子の平均粒径を測定したところ、2.6nmであった。 The resulting dispersion was mixed with 400 mL of water using a separating funnel, and the toluene in the upper layer was collected. Upper layer toluene and 400 mL of ethanol were mixed and stored in a -18°C freezer for 24 hours, thereby obtaining a precipitate of hydrophobized nanoplatinum particles. The hydrophobized nanoplatinum particles were dispersed in toluene to obtain a 0.5 wt % dispersion (B1). The average particle size of the nanoplatinum particles was measured by a dynamic light scattering method using a particle size distribution analyzer (Photol ELSZ-1000, manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.) and found to be 2.6 nm.
<調製3:疎水化金属シアノ錯体粒子と疎水化触媒ナノ粒子との混合液の調製>
調製例1で調製した疎水化金属シアノ錯体粒子分散液(A1)6.0mLと、調製例2の疎水化触媒ナノ白金粒子の分散液(B1)3.0mLとを2時間撹拌し、混合液(C1)を得た。
<Preparation 3: Preparation of mixed solution of hydrophobized metal cyano complex particles and hydrophobized catalyst nanoparticles>
6.0 mL of the hydrophobized metal cyano complex particle dispersion (A1) prepared in Preparation Example 1 and 3.0 mL of the hydrophobized catalyst nanoplatinum particle dispersion (B1) of Preparation Example 2 were stirred for 2 hours to form a mixed solution. (C1) was obtained.
(実施例1)
<作製手順1:疎水化金属シアノ錯体と疎水化触媒ナノ白金粒子の混合液のスピンコート製膜>
スピンコーターに縦3.0cm、横3.0cm、厚さ1.1mmのガラス基板120を設置し、調製3で得られた混合液(C1)を0.15mL滴下し、500rpmでの回転で10秒、続いて750rpmでの回転で10秒間、スピンコートを行った。これを30分間、約25℃の大気中で静置して、基材120上に疎水化金属シアノ錯体粒子10aと疎水化触媒ナノ白金粒子10bを含む水素検知層10を形成した。なお、基板上に形成された水素検知層10の膜厚は、約300nmであった。
(Example 1)
<Preparation procedure 1: Spin coating film formation of a mixed solution of hydrophobized metal cyano complex and hydrophobized catalyst nanoplatinum particles>
A glass substrate 120 with a length of 3.0 cm, a width of 3.0 cm, and a thickness of 1.1 mm was placed in a spin coater, and 0.15 mL of the mixed solution (C1) obtained in Preparation 3 was added dropwise, and the mixture was rotated at 500 rpm for 10 minutes. Spin coating was performed for 10 seconds, followed by rotation at 750 rpm for 10 seconds. This was left standing in the atmosphere at about 25° C. for 30 minutes to form a hydrogen sensing layer 10 containing hydrophobized metal cyano complex particles 10a and hydrophobized catalyst nanoplatinum particles 10b on the base material 120. Note that the thickness of the hydrogen sensing layer 10 formed on the substrate was about 300 nm.
<作製手順2:水濡れ性の増加処理>
前記水素検知層10を形成した基板を、前記水素検知層が紫外線ランプから5cmのところに対面するようにUVオゾンクリーナー装置(Filgen製UV253V16)内に設置し、酸素を3分間導入した後、184.9nmと253.7nmの二種類の波長のUV照射を同時に60分間行い、実施例1に係る水素検知素子130を作製した。
<Production procedure 2: Treatment to increase water wettability>
The substrate on which the hydrogen sensing layer 10 was formed was placed in a UV ozone cleaner (UV253V16 manufactured by Filgen) so that the hydrogen sensing layer faced 5 cm from an ultraviolet lamp, and after introducing oxygen for 3 minutes, UV irradiation with two wavelengths of .9 nm and 253.7 nm was performed simultaneously for 60 minutes to produce the hydrogen sensing element 130 according to Example 1.
<水素検知素子のFT-IRスペクトル>
実施例1に係る水素検知素子130の水素検知層10は、空気中で青色の均一な膜となった。上記水素検知層10のFT-IRスペクトルを、FT-IRフーリエ変換近赤外/中赤外/遠赤外分光分析装置として、パーキンエルマージャパン社製、Frontier(商標)を用いて測定した。
図5に示すように、実施例1に係る水素検知素子130における水素検知層10のFT-IRスペクトルには、金属シアノ錯体のシアノ基に起因する吸収ピーク(2088cm-1)とオレイルアミンのアルキル基に起因する吸収ピーク(2855と2925cm-1)が観測された。
<FT-IR spectrum of hydrogen sensing element>
The hydrogen sensing layer 10 of the hydrogen sensing element 130 according to Example 1 became a uniform blue film in the air. The FT-IR spectrum of the hydrogen sensing layer 10 was measured using Frontier (trademark) manufactured by PerkinElmer Japan as an FT-IR Fourier transform near-infrared/mid-infrared/far-infrared spectrometer.
As shown in FIG. 5, the FT-IR spectrum of the hydrogen sensing layer 10 in the hydrogen sensing element 130 according to Example 1 includes an absorption peak (2088 cm -1 ) due to the cyano group of the metal cyano complex and an alkyl group of oleylamine. Absorption peaks (2855 and 2925 cm −1 ) attributed to were observed.
<水素検知層の水滴との接触角θ>
実施例1に係る水素検知素子130の水素検知層10の水滴との接触角θを、前述の条件で接触角測定装置により測定したところ、51.7°であった。
<Contact angle θ of hydrogen sensing layer with water droplets>
The contact angle θ of the hydrogen sensing layer 10 of the hydrogen sensing element 130 according to Example 1 with a water droplet was measured using a contact angle measuring device under the above-mentioned conditions, and was found to be 51.7°.
<水素検知素子の光学特性の測定>
実施例1に係る水素検知素子130の光学特性を、基材120として、シリカガラス基板を用い、図6に示す光学装置を用いて測定した。
前記光学装置は、図4に示す調光窓70と類似の構成を有し、かつ、ガス充填室Sが光源80と分光光度計90との間に配置されるように構成されている。
雰囲気制御器50における水素の供給は、HORIBA製、モデルOPGU-7200を用いて、100%水素の流量:60SCCMで行った。
空気又はオゾンの供給は、マルコー社製SoecV350を用いて、空気の給気は、風量5L/minの条件で、オゾンの給気は、オゾン出力200mg/h、風量5L/minの条件で行った。
分光器90としては、USB4000(Ocean optics社製)を用いた。
<Measurement of optical properties of hydrogen sensing element>
The optical characteristics of the hydrogen sensing element 130 according to Example 1 were measured using a silica glass substrate as the base material 120 and an optical apparatus shown in FIG.
The optical device has a configuration similar to the light control window 70 shown in FIG.
Hydrogen was supplied to the atmosphere controller 50 using a model OPGU-7200 manufactured by HORIBA at a flow rate of 100% hydrogen: 60 SCCM.
Air or ozone was supplied using SoecV350 manufactured by Marco Corporation, and air was supplied at an air flow rate of 5 L/min, and ozone was supplied at an ozone output of 200 mg/h and an air flow of 5 L/min. .
As the spectrometer 90, USB4000 (manufactured by Ocean Optics) was used.
図7に、実施例1に係る水素検知素子の光透過スペクトルを示す。図7において、酸化状態及び還元状態における光透過スペクトルは、それぞれ空気と、水素の含有量が100%である雰囲気(以下、水素雰囲気という)とを、上記の条件でガス充填室Sに室温で5分間給気した後、室温で測定したものである。 FIG. 7 shows a light transmission spectrum of the hydrogen sensing element according to Example 1. In FIG. 7, the light transmission spectra in the oxidized state and the reduced state are shown in Table 1. Air and an atmosphere containing 100% hydrogen (hereinafter referred to as hydrogen atmosphere) are placed in a gas-filled chamber S at room temperature under the above conditions. Measurements were taken at room temperature after supplying air for 5 minutes.
図7より、実施例1に係る水素検知素子は、酸化状態及び還元状態で、波長が700nmの光の透過率が大きく変化しており(透過率変化55.2%)、高性能なガスクロミック特性を有することが分かる。 From FIG. 7, the hydrogen sensing element according to Example 1 shows a large change in transmittance of light with a wavelength of 700 nm in the oxidized state and the reduced state (transmittance change of 55.2%), and is a high-performance gas chromic device. It can be seen that it has the following characteristics.
次に、ガス充填室Sに水素雰囲気を上記の条件で120秒間給気した後、水素雰囲気の給気を30秒間停止し、上記の条件でオゾンの給気を行い、これを1サイクルとする水素雰囲気の給気制御を5回繰り返し、その間1秒毎に、波長が700nmの光の透過率を測定した。 Next, after supplying a hydrogen atmosphere to the gas filling chamber S under the above conditions for 120 seconds, the supply of hydrogen atmosphere is stopped for 30 seconds, and ozone is supplied under the above conditions, making this one cycle. The air supply control of the hydrogen atmosphere was repeated five times, and the transmittance of light with a wavelength of 700 nm was measured every second during that time.
図8に、ガス充填室Sの雰囲気の変化と700nmの光透過率の変化との関係を示す。図8より、1回目の水素雰囲気の給気制御では、水素の給気によって、波長が700nmの光の透過率が30.0%から97.4%に変化することが分かる。また、2~4回目の水素雰囲気の給気制御では、水素の給気を停止してオゾンを流入させることによって、波長が700nmの光の透過率が97.3%から26.2%に変化することが分かる。図8より、実施例1に係る水素検知素子は、水素とオゾンの給気を切り替えることによって、色変化を繰り返すことができるので、水素検知能がオゾン処理により可逆的に回復することが分かる。 FIG. 8 shows the relationship between the change in the atmosphere of the gas filling chamber S and the change in the light transmittance at 700 nm. From FIG. 8, it can be seen that in the first hydrogen atmosphere supply control, the transmittance of light with a wavelength of 700 nm changes from 30.0% to 97.4% due to the hydrogen supply. In addition, in the second to fourth hydrogen atmosphere air supply controls, by stopping the hydrogen supply and letting ozone flow in, the transmittance of light with a wavelength of 700 nm changed from 97.3% to 26.2%. I know that. From FIG. 8, it can be seen that the hydrogen detection element according to Example 1 can repeatedly change color by switching the supply of hydrogen and ozone, so that the hydrogen detection ability is reversibly restored by ozone treatment.
次に、ガス充填室Sに上記の条件で水素雰囲気を120秒間給気した後、水素雰囲気の給気を停止し、上記の条件で空気の給気を行った。図9より、実施例1に係る水素検知素子は、空気導入によって、波長が700nmにおける透過率が84.2%から45.0%に変化し、その後、また水素を導入すると透明になったことが分かる。したがって、オゾンを使用しない場合でも、繰り返し水素センサー又は調光部材として使用することができることが分かる。 Next, after a hydrogen atmosphere was supplied to the gas filling chamber S under the above conditions for 120 seconds, the supply of hydrogen atmosphere was stopped, and air was supplied under the above conditions. From FIG. 9, the transmittance of the hydrogen sensing element according to Example 1 at a wavelength of 700 nm changed from 84.2% to 45.0% by introducing air, and then became transparent when hydrogen was introduced again. I understand. Therefore, it can be seen that even when ozone is not used, it can be repeatedly used as a hydrogen sensor or a light control member.
<水素検知素子の電気化学特性>
実施例1に係る水素検知素子の電気化学特性を測定するために、調製例3で得られた疎水化金属シアノ錯体粒子と疎水化触媒ナノ白金粒子との混合液(C1)150μLを3cm×3cmの導電ITO膜付きガラス基板の上にスピンコートし、UV照射を60分間行って、水素検知層が積層された作用電極とした。
<Electrochemical properties of hydrogen sensing element>
In order to measure the electrochemical properties of the hydrogen sensing element according to Example 1, 150 μL of the mixed solution (C1) of the hydrophobized metal cyano complex particles and the hydrophobized catalyst nanoplatinum particles obtained in Preparation Example 3 was placed in a 3 cm x 3 cm area. This was spin-coated onto a glass substrate with a conductive ITO film, and UV irradiation was performed for 60 minutes to obtain a working electrode on which a hydrogen sensing layer was laminated.
この作用電極に対して、Ag/AgNO3電極を参照電極とし、白金線を対極とした三極式セルで、0.1Mのカリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(K+TFSI-)を電解質とし、アセトニトリル溶液中で、サイクリックボルタンメトリー(CV)を実施した。 For this working electrode, 0.1 M potassium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (K + TFSI − ) was used as the electrolyte in a tripolar cell with an Ag/AgNO 3 electrode as a reference electrode and a platinum wire as a counter electrode. , cyclic voltammetry (CV) was performed in acetonitrile solution.
図10に、上記の実施例1に係る水素検知素子のサイクリックボルタモグラムを示す(掃引速度:10mV/s)。図10では、波形が表面吸着波となっており、水素検知層がアセトニトリル溶液中で溶解せず、安定に存在していることが示唆されている。また、酸化ピーク電位が、少なくとも+0.05V周辺[VvsAg/AgNO3]、及び-0.16V[VvsAg/AgNO3]に存在していることが分かる。一方、還元ピーク電位が、少なくとも-0.05[VvsAg/AgNO3]、及び-0.36[VvsAg/AgNO3]に存在している。したがって、実施例1に係る水素検知素子に用いる金属シアノ錯体は、少なくとも2つの酸化還元対を有し、還元電位が-0.38[VvsAg/AgNO3]以上に存在し、酸化電位が+0.46[VvsAg/AgNO3]以下に存在することが分かった。 FIG. 10 shows a cyclic voltammogram of the hydrogen sensing element according to Example 1 described above (sweep rate: 10 mV/s). In FIG. 10, the waveform is a surface adsorption wave, suggesting that the hydrogen sensing layer does not dissolve in the acetonitrile solution and exists stably. It is also seen that the oxidation peak potential exists at least around +0.05V [VvsAg/AgNO 3 ] and -0.16V [VvsAg/AgNO 3 ]. On the other hand, the reduction peak potential exists at least at -0.05 [VvsAg/AgNO 3 ] and -0.36 [VvsAg/AgNO 3 ]. Therefore, the metal cyano complex used in the hydrogen sensing element according to Example 1 has at least two redox pairs, has a reduction potential of -0.38 [VvsAg/AgNO 3 ] or higher, and has an oxidation potential of +0.38 [VvsAg/AgNO 3 ] or higher. 46 [VvsAg/AgNO 3 ] or less.
(実施例2~実施例8、比較例1、2)
作製手順1により得られた基板上のスピンコート製膜を9枚用意し、それぞれに以下の時間のUV照射処理を行い、実施例2~実施例8、及び比較例1、2に係る水素検知層を有する水素検知素子を作製した。実施例2:20分、実施例3:30分、実施例4:45分、実施例5:75分、実施例6:90分、実施例7:100分、実施例8:120分、比較例1:0分、比較例120分。
(Example 2 to Example 8, Comparative Examples 1 and 2)
Nine spin-coated films on the substrates obtained by production procedure 1 were prepared, and each was subjected to UV irradiation treatment for the following time to detect hydrogen detection according to Examples 2 to 8 and Comparative Examples 1 and 2. A hydrogen sensing element with layers was fabricated. Example 2: 20 minutes, Example 3: 30 minutes, Example 4: 45 minutes, Example 5: 75 minutes, Example 6: 90 minutes, Example 7: 100 minutes, Example 8: 120 minutes, Comparison Example 1: 0 minutes, comparative example 120 minutes.
図11に、実施例1(UV照射処理60分)と、実施例2~実施例8、及び比較例1、2に係る水素検知層の表面の水滴との接触角θを示す。図11より、実施例1と実施例2~実施例8の接触角θはいずれも15.0°以上、75.0°以下であることが分かる。これに対して、比較例1、比較例2の接触角θは、それぞれ84.9°、5.2°である。 FIG. 11 shows the contact angle θ with water droplets on the surface of the hydrogen sensing layer in Example 1 (UV irradiation treatment for 60 minutes), Examples 2 to 8, and Comparative Examples 1 and 2. From FIG. 11, it can be seen that the contact angles θ of Example 1 and Examples 2 to 8 are all 15.0° or more and 75.0° or less. On the other hand, the contact angles θ of Comparative Examples 1 and 2 are 84.9° and 5.2°, respectively.
実施例2~実施例8、及び比較例1、比較例2について、実施例1と同様の光学装置を用い、同様の手法で光透過特性を測定した。 For Examples 2 to 8, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, the light transmission characteristics were measured in the same manner using the same optical device as in Example 1.
図12に、実施例1と実施例2~実施例8に係る水素検知素子の波長700nmの光の透過率とガス充填室Sの雰囲気の変化との関係を示す。図13に、比較例1、2に係る水素検知素子の上記の関係を示す。光の透過率は最初に空気状態で測定し、およそ25秒後にガス充填室Sに水素雰囲気を275秒間(実施例1~8)、又は325秒間(比較例1~2)給気して、この期間内の0.1秒毎に、光の透過率を測定した。実施例1と実施例2~実施例8に係る水素検知素子は、波長700nmの光の透過率が短時間で大きく変化し、特に実施例6~8では、1秒から25秒間で、迅速な透過率の変化が見られたが、比較例1、2では、透過率変化がほとんど見られなかった。 FIG. 12 shows the relationship between the transmittance of light at a wavelength of 700 nm of the hydrogen sensing elements according to Example 1 and Examples 2 to 8 and changes in the atmosphere of the gas-filled chamber S. FIG. 13 shows the above relationship between the hydrogen sensing elements according to Comparative Examples 1 and 2. The light transmittance was first measured in air, and after about 25 seconds, a hydrogen atmosphere was supplied to the gas filling chamber S for 275 seconds (Examples 1 to 8) or 325 seconds (Comparative Examples 1 to 2). Light transmittance was measured every 0.1 seconds during this period. In the hydrogen sensing elements according to Example 1 and Examples 2 to 8, the transmittance of light with a wavelength of 700 nm changes significantly in a short period of time. Although a change in transmittance was observed, in Comparative Examples 1 and 2, almost no change in transmittance was observed.
表1は、実施例1~8及び比較例1,2に係る水素検知素子のガスクロミック特性を示す。酸化状態(空気状態)及び還元状態(水素導入後)における透過率は、それぞれガス充填室Sが空気状態であるときの値と、水素雰囲気の給気に切り替えてから275秒後(実施例1~8)、又は325秒後(比較例1、2)の値を室温で測定したものである。 Table 1 shows the gaschromic characteristics of the hydrogen sensing elements according to Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2. The transmittance in the oxidation state (air state) and the reduction state (after hydrogen introduction) are the values when the gas filling chamber S is in the air state, and the values 275 seconds after switching to the supply air in the hydrogen atmosphere (Example 1). -8) or after 325 seconds (Comparative Examples 1 and 2) measured at room temperature.
表1より、実施例1~8に係る水素検知素子は、水素検知層表面の水滴との接触角θが70.4°と27.5°の間の適度な表面水濡れ性を有し、酸化状態及び還元状態で、波長が700nmの光の透過率変化が46%を超え、目視で色変化を確認することができる優れたガスクロミック特性を有することが分かる。
これに対して、UV照射がされず、前記接触角θが84.9°と大きい比較例1に係る水素検知素子は、700nmの光の透過率変化が9.7%と小さかった。UV照射が200分であって、前記接触角θが5.2°と小さい比較例2に係る水素検知素子は、700nmの光の透過率変化が2.0%であった。したがって、比較例1、2では、いずれも酸化状態及び還元状態での色変化を目視することがいずれも困難であった。
From Table 1, the hydrogen sensing elements according to Examples 1 to 8 have appropriate surface water wettability with a contact angle θ with water droplets on the surface of the hydrogen sensing layer between 70.4° and 27.5°, It can be seen that the change in transmittance of light with a wavelength of 700 nm in the oxidized state and the reduced state exceeds 46%, indicating that it has excellent gas chromic properties that allow visual confirmation of color change.
On the other hand, in the hydrogen sensing element according to Comparative Example 1, which was not exposed to UV irradiation and had a large contact angle θ of 84.9°, the change in transmittance of light at 700 nm was as small as 9.7%. In the hydrogen sensing element according to Comparative Example 2, in which UV irradiation was performed for 200 minutes and the contact angle θ was as small as 5.2°, the change in transmittance of light at 700 nm was 2.0%. Therefore, in both Comparative Examples 1 and 2, it was difficult to visually observe the color change in the oxidized state and the reduced state.
(実施例9、比較例3)
作製手順1により基材上に製膜したスピンコート膜を、130℃の乾燥炉(YAMATO製DX402)中で24時間熱処理して、実施例9に係る水素検知素子を作製した。水素検知層の水滴と接する接触角は、58.9°であった。
また、熱処理時間を30分にした以外は、実施例9と同様にして、比較例3に係る水素検知素子を作製した。水素検知層の水滴と接する接触角は、78.4°であった。
(Example 9, Comparative Example 3)
The spin-coated film formed on the substrate according to Production Procedure 1 was heat-treated in a drying oven (DX402 manufactured by YAMATO) at 130° C. for 24 hours to produce a hydrogen sensing element according to Example 9. The contact angle of the hydrogen sensing layer with the water droplets was 58.9°.
Further, a hydrogen sensing element according to Comparative Example 3 was produced in the same manner as in Example 9 except that the heat treatment time was changed to 30 minutes. The contact angle of the hydrogen sensing layer with the water droplets was 78.4°.
図14は、実施例1と同じく、図6に示す光学装置を用いて、実施例9及び比較例3に係る水素検知素子の空気中の波長700nmの光の透過率を測定した後、およそ25秒後にガス充填室Sに水素雰囲気を600秒間給気し、光の透過率の時間変化を測定したグラフである。実施例9に係る水素検知素子は、空気状態での波長700nmの光の透過率は24.4%、水素ガスを600秒導入した後の透過率は62.5%であり、透過率変化は38.1%であった。これに対して、比較例3に係る水素検知素子は、空気状態での700nmの透過率が28.3%、水素ガスを600秒導入した後の透過率が50.3%であり、水素導入により透過率は22.0%しか変化しなかった。 FIG. 14 shows that the transmittance of light at a wavelength of 700 nm in the air of the hydrogen sensing elements according to Example 9 and Comparative Example 3 was measured using the optical apparatus shown in FIG. This is a graph obtained by supplying a hydrogen atmosphere to the gas filling chamber S for 600 seconds after 60 seconds and measuring the change in light transmittance over time. The hydrogen sensing element according to Example 9 has a transmittance of 24.4% for light with a wavelength of 700 nm in air, and a transmittance of 62.5% after introducing hydrogen gas for 600 seconds, and the change in transmittance is as follows. It was 38.1%. On the other hand, the hydrogen sensing element according to Comparative Example 3 has a transmittance of 28.3% at 700 nm in air and a transmittance of 50.3% after introducing hydrogen gas for 600 seconds. Therefore, the transmittance changed by only 22.0%.
また、図15に、空気状態と、水素ガスを1500秒(25分)導入した後の実施例9に係る水素検知素子の光透過スペクトルを示す。水素導入後の波長650nmの透過率変化は、41.9%と大きかったから、実施例9に係る水素検知素子は、ゆっくりと透過率が変化することが望ましい用途に向いていることが分かる。 Moreover, FIG. 15 shows the light transmission spectrum of the hydrogen sensing element according to Example 9 in an air condition and after introducing hydrogen gas for 1500 seconds (25 minutes). Since the change in transmittance at a wavelength of 650 nm after hydrogen introduction was as large as 41.9%, it can be seen that the hydrogen sensing element according to Example 9 is suitable for applications where it is desirable for the transmittance to change slowly.
<FT-IRスペクトル>
図16に、実施例1、3、6~8のFT-IRスペクトルを示す。FT-IRスペクトル測定によって、シアノ基に起因する吸収ピーク範囲(2150―2000cm-1)とアルキル官能基に起因する吸収ピーク範囲(3000―2800cm-1)が観測されていることから、金属シアノ錯体のシアノ基、及びアミノ化合物の疎水性アルキル官能基の存在が分かる。
水素検知層の表面に存在する疎水性アルキル官能基は、水素ガスと水素検知層の接触を妨害し水素ガスの浸透及び水素検知層との迅速な反応を妨げる。
実施例3においては、UV照射時間が30分と実施例1より短く、シアノ基及びアルキル官能基のピークが高い。図12に示すように水素の浸透による透過率は300秒(5分)程度かけて変化するので、実施例1より色変化が緩慢に起こるが、金属シアノ錯体構造の破壊が少ないので透過率の変化は大きい。
UV照射時間が90~120分と実施例1より長い実施例6~8においては、水素ガスの浸透を妨げるアルキル官能基のピークがほぼ消えており、図12に示すように透過率変化は25秒以内に完了している。したがって、より迅速に透過率が変化することが望ましい用途に向いている。
<FT-IR spectrum>
FIG. 16 shows the FT-IR spectra of Examples 1, 3, and 6 to 8. In FT-IR spectrum measurement, an absorption peak range due to cyano groups (2150-2000 cm -1 ) and an absorption peak range due to alkyl functional groups (3000-2800 cm -1 ) were observed, indicating that the metal cyano complex The presence of a cyano group and a hydrophobic alkyl functional group of the amino compound can be seen.
The hydrophobic alkyl functional groups present on the surface of the hydrogen sensing layer impede contact between hydrogen gas and the hydrogen sensing layer, preventing hydrogen gas from penetrating and reacting quickly with the hydrogen sensing layer.
In Example 3, the UV irradiation time was 30 minutes, which was shorter than in Example 1, and the peaks of cyano groups and alkyl functional groups were high. As shown in FIG. 12, the transmittance due to hydrogen penetration changes over about 300 seconds (5 minutes), so the color change occurs more slowly than in Example 1, but since the metal cyano complex structure is less destroyed, the transmittance changes. The changes are big.
In Examples 6 to 8, where the UV irradiation time was 90 to 120 minutes, which was longer than Example 1, the peak of the alkyl functional group that impeded the penetration of hydrogen gas almost disappeared, and as shown in Figure 12, the transmittance change was 25 minutes. Completed within seconds. Therefore, it is suitable for applications where it is desirable for the transmittance to change more quickly.
図17に、比較例1~3と実施例9に係る水素検知素子のFT-IRスペクトルを示す。UV照射がされなかった比較例1に係る水素検知素子では、アルキル官能基に起因するピークが高いから、表面の疎水性が維持され、水素ガスが水素検知層に接触しにくく、図13に示すようにガスクロミック効果が発揮されにくい。また、UV照射処理時間が過度である比較例2に係る水素検知素子では、アルキル官能基のピークは消失したが、シアノ基に起因するピーク高さも大きく減少しているから、ガスクロミック特性を有する金属シアノ錯体構造が破壊され、ガスクロミック特性が消失してしまったと考えられる。
熱処理時間が30分の比較例3に係る水素検知素子は、比較例1よりはアルキル官能基が減少しているが、十分な表面水濡れ性を有するほどではないため、図14に示すように、ガスクロミック反応速度が遅く、性能が低かったと考えられる。
一方、熱処理時間が24時間の実施例9に係る水素検知素子は、水素検知層の表面のアルキル官能基が比較例3よりさらに減少し、かつ、シアノ基がある程度残存しているから、比較例3より水素ガスが浸透しやすくなる。したがって、実施例1~8におけるよりは緩慢であるが、比較例3よりは迅速な十分なクロミック反応が行える。
FIG. 17 shows FT-IR spectra of the hydrogen sensing elements according to Comparative Examples 1 to 3 and Example 9. In the hydrogen sensing element according to Comparative Example 1, which was not exposed to UV irradiation, the peak due to the alkyl functional group was high, so the hydrophobicity of the surface was maintained, making it difficult for hydrogen gas to come into contact with the hydrogen sensing layer, as shown in FIG. 13. As such, the gaschromic effect is difficult to demonstrate. In addition, in the hydrogen sensing element according to Comparative Example 2 in which the UV irradiation treatment time was excessive, the peak of the alkyl functional group disappeared, but the height of the peak due to the cyano group was also greatly reduced, so it had gaschromic characteristics. It is thought that the metal cyano complex structure was destroyed and the gas chromic properties disappeared.
Although the hydrogen sensing element according to Comparative Example 3 whose heat treatment time was 30 minutes had a reduced number of alkyl functional groups compared to Comparative Example 1, it was not sufficient to have sufficient surface water wettability, so as shown in FIG. It is thought that the gas chromic reaction rate was slow and the performance was low.
On the other hand, in the hydrogen sensing element according to Example 9 in which the heat treatment time was 24 hours, the alkyl functional groups on the surface of the hydrogen sensing layer were further reduced than in Comparative Example 3, and a certain amount of cyano groups remained. 3. Hydrogen gas permeates more easily. Therefore, a sufficient chromic reaction can be carried out, which is slower than in Examples 1 to 8 but faster than in Comparative Example 3.
以上、詳述したように、本発明に係る水素検知素子は、疎水化された金属シアノ錯体及び疎水化された触媒ナノ粒子を含む水素検知層を備え、前記水素検知層の表面の水濡れ性を増加しているから、水及び水蒸気が多い環境中にあっても、耐候性を有し、ガスクロミック特性による正確な水素検知を迅速に行うことができる。
また、本発明に係る水素検知素子は高価な触媒ナノ粒子の使用が少量で足りるため、低コストで作製することが可能である。さらに、本発明に係る水素検知素子は、簡便なプロセスで作製することができ、構造も簡単である。
したがって、本発明は、優れたガスクロミック特性を有し、かつ安価な水素検知素子、水素センサー、調光部材、及び調光窓等に利用することができる。
As described above in detail, the hydrogen sensing element according to the present invention includes a hydrogen sensing layer containing a hydrophobized metal cyano complex and a hydrophobized catalyst nanoparticle, and the hydrogen sensing element has a water wettability on the surface of the hydrogen sensing layer. Because of its increased hydrogen content, it has weather resistance even in environments with a lot of water and steam, and can quickly and accurately detect hydrogen using its gas chromic properties.
Further, the hydrogen sensing element according to the present invention can be manufactured at low cost because only a small amount of expensive catalyst nanoparticles is needed. Furthermore, the hydrogen sensing element according to the present invention can be manufactured by a simple process and has a simple structure.
Therefore, the present invention can be used in hydrogen sensing elements, hydrogen sensors, light control members, light control windows, etc. that have excellent gaschromic properties and are inexpensive.
10a 金属シアノ錯体
10b 触媒ナノ粒子
10 水素検知層(調光層)
20a 金属シアノ錯体層
20b 触媒ナノ粒子層
120 基材
130 水素検知素子(調光部材)
40 シール部材
50 雰囲気制御器
60 透明基材
70 調光窓
80 光源
90 分光光度計
S ガス充填室
10a Metal cyano complex 10b Catalyst nanoparticles 10 Hydrogen sensing layer (light control layer)
20a Metal cyano complex layer 20b Catalyst nanoparticle layer 120 Base material 130 Hydrogen sensing element (light control member)
40 Seal member 50 Atmosphere controller 60 Transparent base material 70 Light control window 80 Light source 90 Spectrophotometer S Gas filling chamber
Claims (13)
前記金属シアノ錯体及び前記触媒ナノ粒子は疎水化されており、かつ、
前記水素検知層は、ガスと接する面の水滴との接触角が15.0°以上75.0°以下である、水素検知素子。 A hydrogen sensing element comprising a hydrogen sensing layer having gaschromic properties including a metal cyano complex and catalyst nanoparticles,
The metal cyano complex and the catalyst nanoparticles are hydrophobized, and
The hydrogen sensing layer is a hydrogen sensing element in which the contact angle with water droplets on the surface in contact with gas is 15.0° or more and 75.0° or less.
前記調光部材の前記水素検知層側に対向して配置された他の透明基材と、
前記調光部材と前記他の透明基材との間隙の雰囲気を、水素又は水素を含むガスと、酸素、オゾン又は酸素、オゾンの一以上を含む酸化性ガスとを切り替えて給排気することによって制御する雰囲気制御手段と、
を備えた、調光窓。 A light control member according to claim 12;
another transparent base material disposed opposite to the hydrogen sensing layer side of the light control member;
By supplying and exhausting the atmosphere in the gap between the light control member and the other transparent base material by switching between hydrogen or a gas containing hydrogen and oxygen, ozone, or an oxidizing gas containing one or more of oxygen and ozone. atmosphere control means for controlling;
with dimming windows.
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