(57)【要約】  光化学反応系に吸収された吸収光量を容易に測定し、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。  反応状態測定装置は、反応容器１１と、反応容器を透過可能な光を反応容器内に照射する光照射部１２と、反応容器の内部から外部へ反応容器を透過した光を吸収する光吸収部１３と、反応容器の外部に配置され、反応容器の内部から外部へ反応容器を透過した光を検出する複数の光センサ１４と、反応容器内の反応状態を測定する反応状態測定部１５と、光照射部が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１６と、光センサが出力する信号に基づいて、反応容器の内部から外部へ反応容器を透過して、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１７と、照射光量と漏洩光量との差と、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１８を備える。
2016147266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、
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。
【請求項２】
複数の貫通孔を有する反応容器と、
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。
【請求項３】
前記反応容器は、対称性を有し、
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。
【請求項４】
前記反応容器は、対称軸に対して軸対称な形状を有し、
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。
【請求項５】
前記光照射部は、前記対称軸に沿って、光を反応容器内部へ照射する請求項４に記載の反応状態算出装置。
【請求項６】
光触媒層が、前記反応容器内に配置され、
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。
【請求項７】
前記光照射部は、第１光ファイバを有し、
前記光照射部は、前記第１光ファイバを用いて、前記反応容器内に光を照射する請求項１〜６の何れか一項に記載の反応状態算出装置。
【請求項８】
前記複数の光センサそれぞれは、第２光ファイバを有し、
前記複数の光センサそれぞれは、前記反応容器の外部に配置される前記第２光ファイバを用いて、前記反応容器から漏洩した光を受光する請求項１〜７の何れか一項に記載の反応状態算出装置。
【請求項９】
前記光吸収部は、炭素を含む請求項１に記載の反応状態算出装置。
【請求項１０】
前記反応容器は、炭素を含む請求項２に記載の反応状態算出装置。
【請求項１１】
前記反応容器内の内容物を撹拌する撹拌部、又は、前記反応容器内の内容物を振動させる加振部を有する請求項１〜１０の何れか一項に記載の反応状態算出装置。
【請求項１２】
前記反応容器内の内容物の温度を変化させる温度調整部を有する請求項１〜１１の何れか一項に記載の反応状態算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応状態測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１２−２０２８３３公報
【特許文献２】特開２００２−０４８６９９号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｌｉｚｈｏｎｇ  Ｓｕｎ，ｅｔ．ａｌ．、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１００，４１２７−４１３４（１９９６）
【非特許文献２】Ａ．Ｖ．Ｅｍｅｌｉｎｅ，ｅｔ．ａｌ．、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１１０，７４０９−７４１３（２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
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。【００２３】
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。
【発明の効果】
【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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（その１）である。
【図４】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（その２）である。
【図５】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（その３）である。
【図６】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る。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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示す図である。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【符号の説明】
【０１４７】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年8月3日(2017.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、
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。
【請求項２】
複数の貫通孔を有する反応容器と、
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。
【請求項３】
前記反応容器は、対称性を有し、
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。
【請求項４】
前記反応容器は、対称軸に対して軸対称な形状を有し、
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。
【請求項５】
前記光照射部は、前記対称軸に沿って、光を反応容器内部へ照射する請求項４に記載の反応状態算出装置。
【請求項６】
光触媒層が、前記反応容器内に配置され、
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。
【請求項７】
前記反応容器内の内容物を撹拌する撹拌部、又は、前記反応容器内の内容物を振動させる加振部を有する請求項１〜６の何れか一項に記載の反応状態算出装置。
【請求項８】
前記反応容器内の内容物の温度を変化させる温度調整部を有する請求項１〜７の何れか一項に記載の反応状態算出装置。
【国際調査報告】
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