JP7103332B2

JP7103332B2 - 赤外線吸収分光光度計及び赤外線吸収スペクトルの測定方法

Info

Publication number: JP7103332B2
Application number: JP2019206487A
Authority: JP
Inventors: 篤史紅谷; 相吾東
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: JP2021081214A

Description

本明細書は、試料ホルダ、赤外線吸収分光光度計及び赤外線吸収スペクトルの測定方法を開示する。

従来、赤外線吸収分光光度計に用いられる試料ホルダとしては、熱伝導を行う固体状の部材である加熱ブロックの内部に、測定対象のタブレットを保持するホルダが配され、加熱ブロックの本体がヒータと接触するとともに、ホルダがタブレットの全周にわたって厚み全体に接触したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この試料ホルダでは、ヒータの熱がタブレットの全周にわたって厚み全体に伝わることにより、タブレットの温度を調整することができる、としている。

特開２００４－１３８５６０号公報

しかしながら、特許文献１の試料ホルダでは、温度変化を制御して赤外吸収スペクトルを得ることは考慮されているが、赤外吸収ピークの感度については考慮されていなかった。例えば、触媒反応など、赤外吸収ピークをより感度よく得ることが望ましい場合があるが、赤外線吸収ピークが小さい場合に、これを増幅する手法が求められていた。

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、赤外線吸収ピークを増幅することができる試料ホルダ、赤外線吸収分光光度計及び赤外線吸収スペクトルの測定方法を提供することを主目的とする。

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、格子状の金属メッシュをサンプルホルダに用いると、触媒上に吸着する分子の赤外線吸収ピークが増幅されることを見いだし、本開示の発明を完成するに至った。

即ち、本明細書で開示する試料ホルダは、
赤外線吸収分光光度計に用いられる試料ホルダであって、
測定試料が固定され赤外線が照射される部位に金属メッシュの試料固定部を有するものである。

本明細書で開示する赤外線吸収分光光度計は、
赤外線を照射する照射部と、
前記測定試料を固定した上述の試料ホルダを収容する試料室と、
前記測定試料を介した赤外線を検出する検出部と、
を備えたものである。

本明細書で開示する赤外線吸収スペクトルの測定方法は、
赤外線吸収スペクトルの測定方法であって、
上述の試料ホルダに固定された測定試料に赤外線を照射し、該測定試料を介した赤外線を検出する測定工程、
を含むものである。

本開示では、赤外線吸収ピークを増幅することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように考えられる。例えば、赤外光を金属メッシュの開口部の表面で反射させる事で、メッシュ表面近傍に増強された赤外光の電場が形成されることにより、金属メッシュに付着した触媒層などに由来する赤外線吸収を選択的に増幅することができるものと推察される。

赤外吸収分光光度計１０の構成の概略の一例を示す説明図。試料ホルダ２０の構成の概略の一例を示す説明図。実験例１～３の測定試料と赤外線吸収スペクトルの測定例。実験例１、３の赤外線吸収スペクトルが得られる説明図。

本実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、赤外吸収分光光度計１０の構成の概略の一例を示す説明図である。図２は、試料ホルダ２０の構成の概略の一例を示す説明図である。赤外吸収分光光度計１０は、固体の測定試料の赤外線吸収を測定する装置であり、分散型としてもよいし、フーリエ変換型としてもよいが、フーリエ変換型の方が好ましい。この赤外吸収分光光度計１０は、例えば、触媒成分に反応物質が吸着した状態での赤外線吸収スペクトルを得る場合などに用いられる。赤外吸収分光光度計１０は、照射部１１と、試料室１２と、検出部１３と、温度調節部１４と、制御部１５と、試料ホルダ２０とを備えている。

照射部１１は、赤外線を測定試料が固定された試料ホルダ２０に照射するものである。試料室１２は、試料ホルダ２０を収容する空間を有する筐体である。試料室１２の内側には、試料ホルダ２０を固定する固定部材１８が配設されている。また、試料室１２には、化学成分を導入する導入管１６と、この化学成分などを排出する排出管１７とが接続されている。導入管１６は、測定試料に含まれる触媒成分に吸着するガスや、反応に関与するガスなどを導入するものとしてもよい。検出部１３は、測定試料を介した赤外線を検出するものである。検出部１３は、検出した信号を制御部１５へ出力する。温度調節部１４は、測定試料や試料室１２内に存在するガスの温度を調整するものであり、加熱部や冷却部を有する。制御部１５は、装置全体を制御するものであり、図示しないＣＰＵや記憶部を有する。制御部１５は、検出部１３から入力した信号を変換し、赤外線吸収スペクトルとして出力する。また、制御部１５は、温度調節部１４へ信号を出力し、試料室１２の内部温度を調整する。

試料ホルダ２０は、赤外線吸収分光光度計に用いられるものである。この試料ホルダ２０は、図２に示すように、測定試料が固定され赤外線が照射される部位に金属メッシュの試料固定部２１を有する。試料ホルダ２０は、試料固定部２１と接続し試料室１２の固定部材１８に係合する係合部２８を含むものとしてもよいが、試料固定部２１のみで構成されてもよい。試料固定部２１は、板状の部材であり、試料保持面２２を有する。試料固定部２１の外形は特に限定されないが、例えば、多角形や円、楕円形状としてもよい。この試料固定部２１は、隔壁状またはワイヤ状の金属部材２３により形成されており、複数の開口部２４を有している。開口部２４の形状は、特に限定されないが、例えば、多角形や円、楕円形状としてもよい。図２には、外形が円板であり、開口部２４が矩形である試料固定部２１を一例として示した。

試料固定部２１は、測定試料に用いられる反応ガスとは不活性な金属で形成されていればよく、例えば、遷移金属、典型金属などが挙げられ、特に不活性であるＡｕであることが好ましい。試料固定部２１は、金属メッシュの領域全体に対しする開口部２４の面積割合が３０％以上７０％以下の範囲であることが好ましい。この範囲では、赤外線吸収ピークをより増幅することができる。この開口部２４の面積割合は、４０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましい。また、開口部２４の面積割合は、６０％以下がより好ましい。なお、開口部２４の面積割合は、９０％以下や８０％以下としてもよい。

試料固定部２１は、金属メッシュの金属部材２３の幅Ｘが０．０２ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。なお、幅Ｘは、金属部材２３がワイヤの場合、太さをいうものとする。試料固定部２１は、開口部２４の開口長さＬが０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。開口長さＬは、開口部２４が矩形の場合は一辺の長さをいい、他の多角形の場合は内接円の直径をいい、円の場合は直径をいい、楕円の場合は長径をいうものとする。また、試料固定部２１は、金属メッシュの外形Ｄが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。外形Ｄは、金属メッシュの外形が矩形の場合は一辺の長さをいい、他の多角形の場合は内接円の直径をいい、円の場合は直径をいい、楕円の場合は長径をいうものとする。また、試料固定部２１は、金属メッシュの厚さＴが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。

次に、赤外吸収分光光度計１０の動作、特に試料ホルダ２０に触媒成分を含む測定試料を固定し、試料室１２内に反応ガスを導入して測定する動作について説明する。まず、作業者は、試料固定部２１に測定試料を固定する。例えば、触媒材料であれば、担体に金属を分散担持したものなどが挙げられる。作業者は、この触媒材料を試料固定部２１の金属メッシュに固着させる。このとき、試料固定部２１には開口部２４が閉塞されるよう全面に亘って試料を固着してもよいが、開口部２４に貫通孔が存在するように試料を固着することが好ましい。貫通孔が残るように試料を固着すると、反応ガスと試料である触媒層との接触面積が増えるため、より好適な測定結果を得ることができる。次に、作業者は、試料固定部２１を試料室１２の内部にセットし、導入管１６から反応ガスを導入する。ガスを流通させる場合は、排出管１７からガスを排出させる。そして、作業者は測定を開始し、制御部１５は、測定試料に対して赤外線を照射部１１から照射し、検出部１３で検出した信号を入力した制御部１５が赤外線吸収スペクトルとしてモニターやファイルに出力する。この試料ホルダ２０では、格子状の開口部２４を有しており、この内表面で反射、散乱した赤外線が検出部１３で検出されることによって、反応ガスの吸着に基づく赤外線吸収ピークがより増幅される。

以上詳述した試料ホルダ２０では、赤外線吸収ピークを増幅することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように考えられる。例えば、赤外光を金属メッシュの内表面で反射させる事で、金属メッシュの表面近傍に増強された赤外光の電場が形成されることにより、金属メッシュに付着した触媒層などに由来する赤外線吸収を選択的に増幅することができるものと推察される。また、試料ホルダ２０では、金属メッシュにより形成される開口部の面積割合が３０％以上７０％以下の範囲であることが赤外線吸収ピークの増幅においては好ましいと推察される。更に、金属メッシュの幅Ｘが０．０２ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲であり、開口部の長さＬが０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲であることが好ましいと推察される。更にまた、金属メッシュの外形Ｄが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲であり、金属メッシュの厚さＴが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲であることが好ましいと推察される。このような試料ホルダ２０のサイズ範囲では、照射部１１や検出部１３からの赤外線の照射を受けやすく、赤外線の検出もしやすく、好ましい。そしてまた、赤外線吸収ピークの増幅においては、試料ホルダの試料保持面に対して垂直方向から赤外線を照射し、赤外線の照射方向に対して試料ホルダの後方で赤外線を検出することが好ましいと推察される。

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、試料ホルダ２０及び赤外吸収分光光度計１０として本開示を説明したが、赤外線吸収スペクトルの測定方法としてもよい。この測定方法は、上述したいずれかの試料ホルダ２０に固定された測定試料に赤外線を照射し、この測定試料を介した赤外線を検出する測定工程、を含むものとすればよい。また、この赤外線吸収スペクトルの測定方法において、測定工程では、試料ホルダ２０の試料保持面２２に対して垂直方向から赤外線を照射し、赤外線の照射方向に対して試料ホルダ２０の後方で赤外線を検出するものとしてもよい。この赤外線吸収スペクトルの測定方法によっても、赤外線吸収ピークを増幅することができる。

以下には、試料ホルダ２０を用いて赤外吸収ピークを検討した例を実験例として説明する。実験例１，２が本開示の実施例に相当し、実験例３が比較例に相当する。

図１で説明した赤外吸収分光光度計１０を用いて触媒成分上に吸着した一酸化炭素（ＣＯ）の吸収スペクトルをインサイチューで測定した。測定条件は、２５℃、２３００ｃｍ^-1～２０００ｃｍ^-1の範囲で、試料ホルダ２０の試料保持面２２に対して垂直方向から赤外線を照射し、赤外線の照射方向に対して試料ホルダ２０の後方で赤外線を検出した。

（実験例１、２）
図３は、実験例１～３の測定試料及び赤外線吸収スペクトルの測定例であり、図３Ａが実験例１の試料固定部２１の説明図、図３Ｂが実験例１の赤外線吸収スペクトルの一例、図３Ｃが実験例２の試料固定部２１の説明図、図３Ｄが実験例２の赤外線吸収スペクトルの一例、図３Ｅが実験例３のペレット１２１の説明図、図３Ｆが実験例３の赤外線吸収スペクトルの一例である。実験例１の試料固定部２１は、Ａｕの金属部材からなり、外形は、外形Ｄ（直径）が５ｍｍ、厚さＴが０．５ｍｍであり、金属部材の幅Ｘ（太さ）が０．０５ｍｍ、開口長さＬが０．２２ｍｍとした。実験例２の試料固定部２１は、Ａｕの金属部材からなり、外形は、外形Ｄ（直径）が５ｍｍ、厚さＴが０．１ｍｍであり、金属部材の幅Ｘ（太さ）が０．５ｍｍ、開口長さＬが０．５ｍｍとした。触媒成分をＰｔとし、担体としてのアルミナに対して２質量％担持したものを測定試料とした。実験例１、２では、測定試料８．３ｍｇを試料固定部２１に押圧して固定した。

（実験例３）
実験例３のペレット１２１は、担体としてのアルミナに触媒成分としてＰｔを２質量％担持したものであり、外形は、外形Ｄ（直径）を５ｍｍ、厚さＴを０．１ｍｍとした。実験例３では、上記測定試料をペレット状にプレス成形した。

（結果と考察）
図４は、実験例１、３の赤外線吸収スペクトルが得られる説明図であり、図４Ａが実験例１の説明図、図４Ｂが実験例２の説明図である。図３に示すように、金属メッシュの試料固定部を有する試料ホルダを用いた実験例１、２では、実験例３に比してより大きな吸着ＣＯの赤外線吸収ピークが得られることがわかった。特に、金属部材と開口部との全体の面積に対する開口面積の比が１４％の実験例２に比して６６％である実験例１の方がより大きな吸収ピークが得られることがわかった。この理由は、例えば、図４Ａに示すように、実験例１では、金属メッシュの内表面において、入射光Ｒｉが触媒２６を介して反射光Ｒｒとなり検出されるが、このとき、金属メッシュの内側面の近傍に増強された赤外光Ｒの電場が形成され、これにより、金属メッシュに付着した触媒成分に由来する吸収ピークを選択的に増幅することができるものと推察された。一方、実験例３では、入射光Ｒｉを透過又は散乱した透過光Ｒｔでは、そのような増幅が起きないため、吸着ＣＯの吸収ピークは気相ＣＯの吸収ピークに比して小さいものとなると推察された。実験例１では、より大きな吸収ピークが得られていることから、金属メッシュの開口面積の比は、３０％～７０％の範囲が好ましいものと推察された。

また、このような試料ホルダにおいて、金属メッシュにより形成される開口部の面積割合が３０％以上７０％以下の範囲であることが赤外線吸収ピークの増幅においては好ましいと推察された。更に、金属メッシュの幅Ｘが０．０２ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲であり、開口部の長さＬが０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲であることが好ましいと推察された。更にまた、金属メッシュの外形Ｄが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲であり、金属メッシュの厚さＴが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲であることが好ましいと推察された。このような赤外吸収分光光度計において、赤外線吸収ピークの増幅においては、試料ホルダの試料保持面に対して垂直方向から赤外線を照射し、赤外線の照射方向に対して試料ホルダの後方で赤外線を検出することが好ましいと推察された。

なお、本明細書で開示する試料ホルダ、赤外吸収分光光度計及び赤外線吸収スペクトルの測定方法は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

本開示は、赤外線吸収スペクトルの測定分野に利用可能である。

１０赤外吸収分光光度計、１１照射部、１２試料室、１３検出部、１４温度調節部、１５制御部、１６導入管、１７排出管、１８固定部材、２０試料ホルダ、２１試料固定部、２２試料保持面、２３金属部材、２４開口部、２５担体、２６触媒、２８係合部、１２１ペレット、Ｄ外形、Ｌ開口長さ、Ｒ赤外光、Ｒｉ入射光、Ｒｒ反射光、Ｒｔ透過光、Ｔ厚さ、Ｘ幅。

Claims

赤外線を照射する照射部と、
赤外線吸収分光光度計に用いられる試料ホルダであって、測定試料が固定され赤外線が照射される部位に金属メッシュの試料固定部を有する試料ホルダを収容する試料室と、
前記測定試料を介した赤外線を検出する検出部と、
を備え、
前記測定試料には触媒成分を含み、
前記試料室には前記触媒に吸着する化学成分を導入する導入管が接続されており、
前記触媒成分に前記化学成分としての反応物質が吸着した状態での赤外線吸収スペクトルを測定する、赤外線吸収分光光度計。
前記試料固定部は、Ａｕで形成されている、請求項１に記載の赤外線吸収分光光度計。
前記試料固定部は、前記金属メッシュにより形成される開口部の面積割合が３０％以上７０％以下の範囲である、請求項１又は２に記載の赤外線吸収分光光度計。
前記試料固定部は、前記金属メッシュの幅が０．０２ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲であり、前記開口部の長さが０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲である、請求項１～３のいずれか１項に記載の赤外線吸収分光光度計。
前記試料固定部は、前記金属メッシュの外形が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲であり、前記金属メッシュの厚さが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲である、請求項１～４のいずれか１項に記載の赤外線吸収分光光度計。
前記試料室には、前記測定試料の温度を制御する温度調整部が収容されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の赤外線吸収分光光度計。
前記照射部は、前記試料ホルダの試料保持面に対して垂直方向から赤外線を照射し、
前記検出部は、前記赤外線の照射方向に対して前記試料ホルダの後方で赤外線を検出する、請求項１～６のいずれか１項に記載の赤外線吸収分光光度計。
請求項１～７のいずれか１項に記載の赤外線吸収分光光度計を用いた赤外線吸収スペクトルの測定方法であって、
前記試料ホルダに固定された測定試料に赤外線を照射し、該測定試料を介した赤外線を検出する測定工程、
を含む赤外線吸収スペクトルの測定方法。
前記測定工程では、前記試料ホルダの試料保持面に対して垂直方向から赤外線を照射し、前記赤外線の照射方向に対して前記試料ホルダの後方で赤外線を検出する、請求項８に記載の赤外線吸収スペクトルの測定方法。