電極界面におけるイオンの水和構造ダイナミクス

• Project Area: Molecular Science for Supra Functional Systems ? Development of Advanced Methods for Exploring Elementary Process
• Project/Area Number: 22018002
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Toyota Technological Institute
• Principal Investigator: 山方 啓 豊田工業大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (60321915)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥4,200,000 (Direct Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2011: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2010: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000)
• Keywords: 赤外表面増強場 / ピコ秒時間分解赤外分光 / 溶媒効果 / 溶媒配向緩和 / 電気二重層 / 電荷移動 / 水の配向変化 / 水素結合ネットワーク

Research Abstract

固体表面を含めてすべての物質は水和することで水の中で安定化される。水和構造の変化は物質のエネルギー準位に摂動をもたらすため、水中における物質の挙動を支配する重要なファクターである。したがって、固液界面過程を理解するためには、この水和構造の変化を調べる必要がある。そこで我々は、時間分解赤外分光法を用いて、親水性、疎水性カチオンが電極表面に近づく際のイオンと界面の水和構造が変化する過程を調べた。
電位ジャンプ法を用いて、疎水性カチオン・過塩素酸テトラプロピルアンモニウムイオン(Pr_4N^+)を疎水性のCOが吸着したPt電極表面に急に押しつけた際の変化を時間分解赤外分光法を用いて観察した。その結果、水和したPr_4N^+の界面濃度は電気二重層の充放電時間(～3ms)で上昇し、その後、ゆっくりと約180msの時定数で水和殻が崩壊する様子を観察することに成功した。水和殻が崩壊されるのがこのように遅いのは、水和殻崩壊に活性化障壁があるためである。水和殻崩壊速度の温度依存性を測定することで、その活性化エネルギーは7kJ/molと求められた。さらに、印加する電位を変えることで水和イオンを表面に押しつける力を変えると、水和殻が崩壊するためにはある閾値があり、それを過ぎると、水和殻崩壊速度は速くなることが分かった。すなわち、疎水性物質の周りに形成された水和殻は、単に水分子どおしの水素結合で繋がったものであるが、化学結合で構成された構造体のように強い力学的な強度を有していることが分かった。しかし、このような強い疎水性水和殻ではあるが、Na+のような親水性水和殻が接近するとすぐに壊れることが分かった。

Research Products

• [Journal Article] Infrared Spectroscopic Study of the Potential Change at Cocatalyst Particles on Oxynitride Photocatalysts for Water Splitting by Visible Light Irradiation (2011)
  • Author(s): Xuwang Lu, Athula Bandara, Masao Katayama, Akira Yamakata, Kubota Jun, Kazunari Domen
  • Journal Title: J.Phys.Chem.C Volume: 115 Issue: 48 Pages: 23902-23907
  • DOI: 10.1021/jp207484q
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of photoexcited electron dynamics on photocatalytic efficiency of bismuth tungstate (2011)
  • Author(s): F.Amano, A.Yamakata, K.Nogami, M.Osawa, B.Ohtani
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 115 Issue: 33 Pages: 16598-16605
  • DOI: 10.1021/jp2051257
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Potential-dependent recombination kinetics of photogenerated electrons in n-type and p-type GaN photoelectrodes studied by time-resolved IR absorption spectroscopy (2011)
  • Author(s): A.Yamakata, M.Yoshida, J.Kubota, M.Osawa, K.Domen
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society Volume: 133 Issue: 29 Pages: 11351-11357
  • DOI: 10.1021/ja203639q
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 表面増強赤外分光でみた電極-電解液界面の水の構造と挙動 (2011)
  • Author(s): 大澤雅俊・山方啓
  • Journal Title: 分析化学 Volume: 53 Pages: 1-9
  • NAID: 10027409742
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Destruction of the Water Layer on a Hydrophobic Surface Induced by the Forced Approach of Hydrophilic and Hydrophobic Cations (2010)
  • Author(s): Akira Yamakata, Masatoshi Osawa
  • Journal Title: J.Phys.Chem.Lett. Volume: 1 Pages: 1487-1491
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 光触媒の結晶性と光励起キャリアの再結合特性 (2012)
  • Author(s): 大川真弘・犬飼学・山方啓・神谷格
  • Organizer: 日本化学会第92春季年会
  • Place of Presentation: 慶応大学
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] 赤外分光法による水分解用光触媒上の貴金属助触媒への光励起電子移動 (2012)
  • Author(s): 路緒旺・BANDARA, Athula・片山正士・山方啓・久保田純・堂免一成
  • Organizer: 日本化学会第92春季年会
  • Place of Presentation: 慶応大学
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] Control of behavior and energy state of photogenerated charge carriers (2012)
  • Author(s): 山方啓・大川真弘・犬飼学・神谷格
  • Organizer: JSTさきがけ研究領域合同国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 慶応大学
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] 光励起キャリアーの動きとエネルギー制御 (2012)
  • Author(s): 山方啓
  • Organizer: 第1回「フォーラム:人工光合成」
  • Place of Presentation: 科学技術振興機構東京本部地階ホール
  • Year and Date: 2012-01-27
• [Presentation] 電極表面に固定したKcsAの構造変化 (2012)
  • Author(s): 山方啓、清水啓史、大澤雅俊、老木成稔
  • Organizer: 第15回ミニ公開シンポジウム「イオンチャネル研究の現状とこれからについて考える」
  • Place of Presentation: 大阪大学会館会議室(invited)
  • Year and Date: 2012-01-24
• [Presentation] 遷移金属を添加した光触媒の構造と反応活性 (2011)
  • Author(s): 大川真弘・犬飼学・山方啓・神谷格
  • Organizer: 日本表面科学会中部支部若手講演大会
  • Place of Presentation: 豊田工業大学
  • Year and Date: 2011-12-24
• [Presentation] 遷移金属をドープしたチタン酸ストロンチウムの光励起過程 (2011)
  • Author(s): 山方啓・大川真弘・神谷格
  • Organizer: 表面界面スペクトロスコピー2011
  • Place of Presentation: マホロバ・ツインズ三浦
  • Year and Date: 2011-12-03
• [Presentation] 遷移金属をドープしたSrTiO3のキャリアダイナミクス (2011)
  • Author(s): 山方啓・大川真弘・神谷格
  • Organizer: 第108回触媒討論会
  • Place of Presentation: 北見工業大学
  • Year and Date: 2011-09-21
• [Presentation] SrTiO3の構造とキャリアダイナミクス (2011)
  • Author(s): 大川真弘・山方啓・神谷格
  • Organizer: 第108回触媒討論会
  • Place of Presentation: 北見工業大学
  • Year and Date: 2011-09-21
• [Presentation] Surface-enhanced IR study on the dynamics of hydration shells around several cations at the electrochemical interface (2011)
  • Author(s): Akira Yamakata, Masatoshi Osawa
  • Organizer: The 14th Asian Chemical Congress 2011
  • Place of Presentation: Queen Sirikit National Convention Center, Bangkok, Thailand(invited)
  • Year and Date: 2011-09-07
• [Presentation] Time-resolved IR absorption study on the destruction processes of hydration shells at electrode surfaces (2011)
  • Author(s): Akira Yamakata, Masatoshi Osawa
  • Organizer: The 14th Asian Chemical Congress 2011-Cambodia Satellite Meeting
  • Place of Presentation: Sofitel Phokeethra Royal Angkor Resort, Siem Reap, Cambodia(invited)
  • Year and Date: 2011-09-04
• [Presentation] Destruction of water layers around ions and electrode surface by their forced approach (2010)
  • Author(s): Akira Yamakata, Masatoshi Osawa
  • Organizer: 2010 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2010-12-18
• [Presentation] 時間分解赤外分光法を用いた固液界面の水和殻崩壊過程 (2010)
  • Author(s): 山方啓, 大澤雅俊
  • Organizer: 表面界面スペクトロスコピー2010
  • Place of Presentation: 筑波山
  • Year and Date: 2010-12-04
• [Presentation] Time-resolved surface-enhanced infrared absorption study on destruction of hydration shells at the electrochemical interface (2010)
  • Author(s): Akira Yamakata
  • Organizer: Symposium on Advanced Spectroscopy
  • Place of Presentation: Hokkaido University(招待講演)
  • Year and Date: 2010-10-08
• [Presentation] Kinetics of the destruction of hydration shells around tetraal kylammonium ions at the electrochemical interface (2010)
  • Author(s): Akira Yamakata, Masatoshi Osawa
  • Organizer: 61st Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • Place of Presentation: Nice, France
  • Year and Date: 2010-09-28
• [Presentation] 固液界面における溶質の水和殻崩壊過程の赤外分光観察 (2010)
  • Author(s): 山方啓, 大澤雅俊
  • Organizer: 第106回 触媒討論会
  • Place of Presentation: 山梨大学(招待講演)
  • Year and Date: 2010-09-17
• [Presentation] 疎水性表面上の水分子の赤外分光解析:親水性ならびに疎水性イオンの接近による破壊 (2010)
  • Author(s): 山方啓, 大澤雅俊
  • Organizer: 日本分析化学会第59年会
  • Place of Presentation: 東北大学川内北キャンパス
  • Year and Date: 2010-09-15
• [Presentation] 表面増強赤外吸収分光法を用いた電極界面におけるKcsAの構造変化 (2010)
  • Author(s): 山方啓
  • Organizer: 「高次系分子科学」ミニシンンポジウムイオンチャネルKcsAの機能制御と構造変化の関係を解明する計測法
  • Place of Presentation: サギセミナーセンター(広島県三原市佐木島)(招待講演)
  • Year and Date: 2010-08-30
• [Presentation] 時間分解赤外分光法を用いた触媒反応機構の解明 (2010)
  • Author(s): 山方啓
  • Organizer: 第50回オーロラセミナー
  • Place of Presentation: トーヤ温泉ホテル(招待講演)
  • Year and Date: 2010-08-03
• [Book] 「時間分解赤外分光法を用いた触媒反応ダイナミクス-光触媒の光励起ダイナミクス-」、書名『触媒技術の動向と展望2010』 (2010)
  • Author(s): 山方啓
  • Total Pages: 11
  • Publisher: 触媒学会