| Project/Area Number |
22KJ3237
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| Project/Area Number (Other) |
21J00688 (2021-2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
久米田 友明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 若手国際研究センター, ICYS研究員
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 電極触媒 / 単結晶 / 反応機構 / エネルギー変換 / 酸素還元反応 / 水電解 / プロトン移動 / 量子トンネル効果 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的は、電解質溶液を凍結させた固体電解質中における、白金電極上の水素発生反応機構の解明である。電極反応におけるプロトン移動機構には、遷移状態を経由する古典的過程とトンネル効果による量子力学的過程が存在する。特定の低温条件下ではプロトン移動機構が古典-量子間で切り替わると考えられている。本研究では、表面原子配列が規整された単結晶電極と高濃度凍結電解液を用いる新規低温電気化学測定系を開発する。そして、速度論的同位体効果を利用した電極反応の速度論的解析によって、低温下におけるプロトン移動機構を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
最終年度では、昨年度から引き続き室温でのモデル電極反応として、(1)アルカリ性電解液中におけるPt(111)電極上の酸素還元反応(ORR)機構、および(2)アルカリ性電解液中におけるAu(111)電極上の水素発生反応(HER)機構の解析を実施した。また、低温下における固体電解液を用いた電気化学測定に関する研究では、セル設計の見直しおよび高濃度電解液の利用によって電解液温度の安定化と高い電気伝導率の達成を目指した。
(1)ORRに関する研究では、前年度までにLiまたはKイオンを含む電解液を用いて、電解質カチオンの選択が外圏型および内圏型ORR機構の選択性に影響することを明らかにした。最終年度では、新たにNaおよびテトラメチルアンモニウムイオンを用い、カチオンの親水/疎水性と外圏/内圏型機構の選択性との相関を系統的に評価した。その結果、Liのような親水的なカチオンほど外圏型機構を促進することがわかった。
(2)HERに関する研究では、これまでにKイオンを含む電解液中において過電圧が大きくなるにつれてプロトン移動機構が古典力学的過程から量子力学的過程へと遷移することを明らかにした。最終年度では、赤外分光法を用いて反応中における電極表面の水分子構造を分析することで、カチオンがプロトン移動機構に影響を与えるメカニズムを解明した。その結果、Kイオンは高過電圧下において電極表面に容易に接近し、水分子間の水素結合ネットワークを乱すことで量子力学的プロトン移動に適した水分子の二量体を形成することがわかった。
低温電気化学セルに関しては、前年度までの窒素ガスフローに加えてリボンヒータを用いた温度制御機構を導入することで、電解液凍結温度付近においても高い温度安定性が得られた。今後は、開発した低温電気化学セルを用いて、固固界面における電極反応機構解析に展開する。
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