Study on manganese-oxide cluster composites with the aim of one molecule water splitting

• Project/Area Number: 17K04977
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Nanostructural chemistry
• Research Institution: Genesis Research Institute, Inc.
• Principal Investigator: Hayakawa Tetsuichiro 株式会社コンポン研究所, 研究部, 研究員 (90557745)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: クラスター / 水分解反応 / 酸化マンガン / 酸化セリウム / X線吸収分光

Outline of Final Research Achievements

Oxidation behavior of Mn and Ce atoms in cluster composites of manganese-oxide and cerium-oxide were studied in the aim of catalyst improvement for water splitting reaction. X-ray absorption spectra of size-selected clusters such as Ce1MnxOy+ were observed near Mn L-edge, Ce M-edge and O K-edge. Obtained spectra show that oxidation of Ce atoms precedes that of Mn atoms with increase of oxygen atoms in the clusters, that is, oxidation suppression of Mn atoms takes place by composite formation with cerium oxide. With this oxidation suppression, it will be possible to design a new water-splitting catalyst where the manganese oxide remains active even after splitting of a single water molecule.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の直接の意義は、酸化Ceへの優先的な酸素貯蔵と酸化Mnクラスターの酸化抑制という測定結果から、酸化Mn－酸化Ce複合化クラスターによる水1分子分解を有望な反応機構として提示したことである。さらに酸化Ceとのクラスター複合化による酸化抑制効果を酸化Mn以外でも確認し、様々な複合系に展開できる可能性を示した。
一方で測定手法の観点では、複数金属からなる酸化物クラスターに対してX線吸収分光を行い、構成元素それぞれの酸化状態を初めて測定した。この方法はMn-Ce酸化物クラスターに限らず適用可能であり、酸化状態が重要となる触媒のモデル系などのクラスター研究に新しい手法を加えたことになる。

Research Products

• [Journal Article] X-ray absorption spectroscopy of small copper-oxide cluster ions for analyses of Cu oxidation state and Ar complexation: CuOAr+ and Cu2O2+ (2020)
  • Author(s): Tetsuichiro Hayakawa, Masashi Arakawa, Satoshi Kono, Takefumi Handa, Naho Hayashi, Kento Minamikawa, Takuya Horio and Akira Terasaki
  • Journal Title: Zeitschrift fur Physikalische Chemie Volume: - Issue: 1-2 Pages: 213-224
  • DOI: 10.1515/zpch-2020-1668
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 酸化セリウムと複合化した酸化マンガンクラスターの酸化状態 (2020)
  • Author(s): 早川鉄一郎, 荒川雅, 河野聖, 林奈穂, 飯田岳史, 南川賢人, 堀尾琢哉, 寺嵜亨
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会
• [Presentation] Oxidation-State Measurement by X-ray Absorption Spectroscopy on Size-Selected Clusters of Cerium Oxide and its Derivatives (2019)
  • Author(s): Tetsuichiro Hayakawa, Masashi Arakawa and Akira Terasaki
  • Organizer: The 76th Fujihara Seminar, International Workshop on Designer Nanocluster Materials -From Gas Phase to Condensed Phase-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 銅原子を添加した酸化セリウムクラスターの酸化状態 (2019)
  • Author(s): 早川鉄一郎、荒川雅、藤本周平、南川賢人、河野聖、安東航太、寺嵜亨
  • Organizer: 第32回 日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 酸化セリウムクラスターに付加した金属原子の酸化状態 (2019)
  • Author(s): 早川鉄一郎、荒川雅、藤本周平、南川賢人、河野聖、安東航太、寺嵜亨
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] X線吸収分光で調べた金属複合酸化物クラスターの酸化状態 (2018)
  • Author(s): 早川鉄一郎、荒川雅、藤本周平、南川賢人、河野聖、安東航太、寺嵜亨
  • Organizer: 第12回 分子科学討論会
• [Presentation] 金属酸化物クラスターの組成と金属原子の荷電状態 (2018)
  • Author(s): 早川鉄一郎、荒川雅、安東航太、清村侑矢、河野知生、寺嵜亨
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Ｘ線吸収分光で調べた金属酸化物クラスターの酸化状態 (2018)
  • Author(s): 早川鉄一郎、荒川雅、安東航太、河野知生、寺嵜亨
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Remarks] X線吸収分光／酸化マンガンクラスター
  • URL: http://www.clusterlab.jp/2012/manganese_oxide_clusters.html
• [Remarks] 酸化マンガンクラスター
  • URL: http://www.clusterlab.jp/2012/manganese_oxide_clusters.html