周波数変調型原子間力顕微鏡を用いたアルミニウムイオン還元時の界面構造解析

• Project/Area Number: 21K04734
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26060:Metals production and resources production-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 上田 幹人 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00292053)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: アルミニウムイオン / 原子間力顕微鏡 / 電極界面 / 吸着イオン / アルミニウム / イオン液体 / 電析

Outline of Research at the Start

イオン液体からアルミニウムイオンが還元されるプロセスは単純ではなく、界面の詳細な情報に基づき検討する必要がある。アルミニウムイオンはアルミニウム単体のイオンではなく、他のイオンが配位した錯イオンを形成されると言われている。本研究では、電場の有無によって電極上のアルミニウム錯イオンの配置を原子間力顕微鏡で観察する事で、アルミニウム錯イオンが還元される寸前の表面状態を推定し、その還元プロセスを検討すると共にその反応がより促進される手段について検討する。

Outline of Annual Research Achievements

前年度は電場の有無によるアルミニウムイオンの電極界面における分布を調べるため、AlCl3水溶液を用いて高配向性熱分解グラファイト（HOPG）上のアルミニウムイオンの吸着特性を調べ、基礎的な知見を得た。今年度は、1エチル-3メチルイミダゾリウムクロライド(EmImCl)とAlCl3のイオン液体を用いてHOPG電極付近のイオンの分布を調べた。
ドライルームにおいてHOPG上に滴下し、原子間力顕微鏡(AFM)カンチレバーを液滴の中に入るように設定し、コンタクトモードでフォースカーブ(FC)測定を行った。FC測定で得られるデータは、カンチレバーのチップ先端が受ける反力の値であり、このイオン液体の場合は、EmIm+とAl2Cl7-の斥力と考えられる。
測定では、カンチレバーの探針がそれ以上到達できない部分を、最終到達点として、そこからカンチレバーの押していた力を緩和する際の力の変化について調べた。その結果3つの段差を見出すことができた。この段差は0.3から;0.5nmであり、おそらくEmIm+とAl2Cl7-のイオンサイズに対応しているものと考えられる。
イオン液体における電極界面近傍のイオンの分布では、アニオンとカチオンが交互に整列し、バルクに向かってアニオンまたはカチオンの層の中に反対の電荷を持つイオンが少しずつ混入すると言われており、今回の3つの段差は、その混合した層を測定したことが考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ドライルームでの測定が可能になり、微妙な設定が可能になりHOPG基板近傍のイオンの分布測定ができたため概ね順調である。

Strategy for Future Research Activity

今後は、イオン液体に対して電場の有無についても調べ、界面におけるアルミニウムイオンの分布の理解を深めたい。また吸着種が存在した場合のイオンの配列についても調べていきたい。この他に、計算機シミュレーションからの界面構造についても検討し、総合的にイオンの分布について明らかにしたい。