安価な高分子粒子を用いて光触媒反応を加速する反応器 ー反射を利用して、光を閉じ込めるー

2026-08-04 九州大学

九州大学の研究グループは、安価な高分子粒子を充填した新しい光反応器を開発し、粒子間で光を繰り返し反射させる「光閉じ込め効果」により光触媒反応を大幅に加速できることを世界で初めて実証した。従来の光反応器では、照射した光の多くが反応器外へ透過・散乱してしまい、光エネルギーを十分活用できないことが課題だった。本研究では、粒子配置のモデリングと光伝搬シミュレーションにより、光が粒子間で多重反射し反応器内に長時間滞留することを確認した。その結果、弱い可視光照射でも光触媒反応が効率的に進行し、医薬品や染料原料となるアントラキノン類を高効率に合成することに成功した。光触媒自体を改良せず、反応器設計のみで光利用効率を向上させた点が大きな特徴であり、太陽光を直接利用する省エネルギー型化学プロセスや、SDGsに資する次世代ものづくり技術への応用が期待される。

安価な高分子粒子を用いて光触媒反応を加速する反応器 ー反射を利用して、光を閉じ込めるー
粒子のスキマに光を閉じ込め、可視光での光触媒反応を加速する。

<関連情報>

ポリマー充填ベッド反応器は、不均一系光触媒反応における多重光反射を利用することで光触媒効率を向上させる Polymer-packed bed reactors enhance photocatalytic efficiency by utilizing multiple light reflections in heterogeneous photocatalysis

Kazuya Nishimura, Hikaru Matsumoto, Takeru Yano, Masanori Nagao, Yoshiko Miura
Chemical Engineering Journal  Available online: 1 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177898

Highlights

  • Polymer-packed bed photoreactors that enhance photocatalytic activities by multiple light reflections were developed.
  • Simple mixing of polymer particles with heterogeneous Ru photocatalyst provided the packed-bed flow reactor.
  • Large deviation of refractive indices between the particles and reaction solvent improved the photocatalytic efficiency.
  • Ray tracing simulations revealed that multiple light reflections prolonged the photon residence in the reactor.
  • Anthraquinone valuable for drugs and dyes was continuously and stably produced using the packed-bed photoreactor.

Abstract

Efficient light utilization is a central challenge in flow photochemistry, which strongly influences catalytic performance. Here, we improve photocatalytic performance by controlling the optical properties of packing materials in the packed-bed flow reactor. Synthetic polymer particles were selected as reactor packings because their size and refractive index can be readily tuned. A Ru(bpy)₃ photocatalyst was covalently immobilized on polymer particle surfaces and mixed with catalyst-free co-packing particles, poly(methyl methacrylate) or poly(styrene), possessing different refractive indices. The mixtures were packed into columns and evaluated in the blue-light-driven oxidation of 9,10-diphenylanthracene. By systematically varying particle size, refractive index of packings and solvent, we clarified how the optical properties govern multiple light reflection and photoreaction kinetics by experiments, modelling, and theoretical simulation. The optimized reactor design enhanced photocatalytic performance and showcased successful synthesis of juglone, demonstrating a practical strategy for advancing sustainable photochemical processes.

0505化学装置及び設備
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