光触媒反応による太陽光励起レーザーの研究

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本研究はレーザー加工などの産業応用や太陽光発電衛星のパワー伝送媒体に利用可能な太陽光直接励起レーザーの原理実証を目的とする。レーザーの種類としてはヨウ素レーザーを選択した。ヨウ素レーザーは化学レーザーの一種であり、従来技術では反応物質(燃料)の化学ポテンシャルを利用してレーザーエネルギーを得ていた。本研究では光触媒の利用により外部からの光エネルギーを利用して本レーザーを継続的に運転できる技術を構築するための基礎研究を行った。そのため高効率に太陽光励起するための基礎研究を行った。光触媒を用いた一重項酸素(ヨウ素の励起媒体)の生成には宇宙での軽量システムを念頭に置き気相での反応を選択した。文献により有望な光触媒の基本特性と励起酸素分子およびヨウ素分子とのエネルギー移動のメカニズムを調査し、光励起したフラーレンから一重項酸素の励起、それに続くヨウ素分子の励起過程がレーザー活性媒質として有効であるという知見を得た。光励起されたフラーレンは強力な酸化剤であり、光触媒反応で生じた活性種(活性酸素など)が光触媒自身を酸化する場合があり、その機構と対策法を検討した。触媒の安定性を高めるために酸化中心となる正孔に対して電子を供給する方法を検討した。アルコールを助触媒として用いる方法が有効であり、その供給法として噴霧法を試みた。フラーレンと酸素、ヨウ素を封入したガラスセルに、模擬太陽光(メタルハライドランプ)を照射し1.3μmの蛍光が観測された。これらの研究結果によりフラーレンを媒体とした光励起ヨウ素レーザーの実現可能性が示された。