2019 Fiscal Year Annual Research Report
Characterization of electrolytes in doped ice using synchrotron radiation.
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16K05809
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
原田 誠 東京工業大学, 理学院, 助教 (60313326)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ドープ氷 / 単結晶氷 / XAFS / XRF |
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| Outline of Annual Research Achievements |
NaClやMn、Co、Cu、Znの硝酸塩の含む水溶液を凍結したドープ氷を作成した。このドープ氷中では凍結濃縮により、純粋な氷相とその氷相間のグレインバウンダリーに濃縮された水溶液相を生じる。本研究ではまず、ドープ氷中でこの凍結濃縮液相がどのように分布しているかをXRF（蛍光X線測定）によって元素ごとにマッピングした。主な溶質であるClは水溶液相の分布に対応しているので、Clと他の共存金属元素のマッピングを比較するとかなりよい一致が見られた。金属イオンはドープ氷中でほとんど濃縮液相に存在していることが明らかとなった。
ドープ氷に含まれる金属塩はグレインバウンダリーの濃縮液相に存在していることがわかったが、ごく一部は液相ではなく、氷相に含まれる場合がある。氷相は金属塩を濃縮液相に押し出すことで溶質が残った水溶液相に排除されるが、ごく少量ながら氷相に取り込まれる。この場合、例えばKCｌ水溶液を基にしたドープ氷ではKイオンよりもClイオンがより優先的に氷相に取り込まれることで、濃縮液相のpHが高くなることがわかっている。よって、氷相へのClイオンやKイオンの取り込みを検証するため、KCｌ水溶液から単結晶氷を作成し、この単結晶氷中に含まれるKやClについて蛍光XAFS測定を行った。このKやClを微量含む単結晶氷はドープ氷での氷相と同等であると見なした。測定されたXAFSスペクトルを基に分子軌道計算によって解析したところ、Clは氷ネットワーク中のOHイオンと置き換わっている可能性が高いことがわかってきた。濃縮液相にあるClイオンとOHイオンが交換されたと考えると、濃縮液相ではOHイオンの増加すなわちpHが高くなるという結果と一致する。今後、分子軌道計算と分子動力学計算から単結晶氷中のClイオンやKイオンをシミュレートし、実測値であるXAFSスペクトルとより詳細な検討を行う予定である。
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