2018 Fiscal Year Annual Research Report
Visualization of Electrocatalytic Activities on Two-Dimensional Materials by Nanoscale Electrochemical Imaging
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16H06042
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
熊谷 明哉 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (50568433)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 分析化学 / 電気化学 / 走査型プローブ顕微鏡 / 二次元電子系材料 / 二次元材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンに代表される二次元材料は、原子レベルで平坦な構造を持ち特異な物性を示す。これらの材料は、当初、電子デバイス応用や基礎物性に関する研究に用いられていたが、近年では次世代エネルギー材料への応用も多くなされている。特に、貴金属材料から脱却し、高効率にエネルギー変換・蓄積を試みる研究は多く、水素の高効率な精製を期待した電極触媒反応などへの応用研究が盛んに行われている。しかし、これらの特異性が起こるメカニズムの解明には至っていない。その理由として、電気化学反応である電極触媒反応が、これらの材料の特異構造や領域による電子状態などに依存しているのにも関わらず、空間分解能のをもって評価することが困難であったからである。本研究では、この課題に電気化学顕微鏡の持つ電気化学反応を可視化技術である高分解能かつ反応領域を規定する計測技術：ナノ電気化学イメージングを用いて、これらの現象を解明することを目標としている。H30年度はグラフェンやSnS2、WS2など多様な二次元材料とそのエッジや層数などの構造の関係を水素発生反応を中心にメディエーターの酸化還元反応及び、酸素還元反応に関して研究を遂行した。その結果、二次元材料全般において電極触媒能がエッジ領域において高いことを見出し、また、構造的に類似する構造欠陥においても、同様の傾向が観測された。更に、グラフェンにおいてはそのエッジ領域において窒素やリンなどの元素種をドーパントとして導入することで高活性化を引き起こすことが電気化学イメージングから定量的に捉えることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
グラフェンのエッジ及び構造欠陥における高い水素発生反応性をナノ電気化学イメージングにて定量的に評価可能となった。また、特定の元素をエッジ領域にドープすることでその反応性を向上させることが出来ることも見出すことが出来た。更に、他の二次元材料ではSnS2やWS2などの他の二次元材料にも展開することが可能となり、水素発生反応性を単層・二層を規定して評価することも可能となり層数による反応性もエッジ・ベーサルに分けて評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究方策として、他の二次元材料のみでなく、他の材料組み合わせや角度制御した二次元材料のヘテロ構造の研究にも展開していく。これらの研究を遂行することで、二次元電子系材料の高機能性のメカニズムのみならず、エッジ領域や構造欠陥を制御した最適な材料設計提案を構築できるような定量的な議論を進めていく。
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