2018 Fiscal Year Research-status Report
酸化マンガン上での水1分子分解反応に向けたクラスター複合化
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17K04977
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| Research Institution | Genesis Research Institute, Inc. |
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Principal Investigator |
早川 鉄一郎 株式会社コンポン研究所, 研究部, 研究員 (90557745)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | クラスター / 水分解反応 / 酸化マンガン / 酸化セリウム / X線吸収分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では水分子の分解反応を目指して酸化マンガンクラスターを酸化セリウムと複合化し、その電子状態や水分子との反応性を調べることで、水分解触媒の設計指針を得ることを目的としている。そのために酸化マンガン‐酸化セリウム複合クラスターの生成、クラスターと水分子の反応測定、X線吸収分光によるクラスターの電子状態測定を行い、水分子分解反応に対する酸化セリウム複合化について理解、検討を進めていく。
クラスターの生成はマグネトロンスパッタ法により行う。初年度にマンガン4原子を含む酸化マンガンクラスターの生成および測定を行ったのち、酸化マンガン‐酸化セリウム複合クラスターの生成および測定を進めつつ、並行して装置の改良も行っている。X線吸収分光はクラスター中に含まれる元素それぞれの電子状態を独立に調べることができる方法であり、本研究のように水分子の分解によって金属原子の価数変化や酸素原子の結合状態変化が期待される系に対して非常に有効であると期待される。測定は高エネルギー加速器研究機構の放射光施設Photon Factoryを利用し、我々のクラスター装置を持ち込んで実施する。本研究では主に、クラスターが含む酸素数に応じたマンガン価数、セリウム価数の変化を調べることで、余剰酸素の付加する元素についての知見を得る。
2017年度は酸化マンガンクラスターについての測定を行い、酸素数に対するマンガン価数の変化を確認した。2018年度は本研究の主目的である酸化マンガン‐酸化セリウム複合クラスターに対する測定を実施して、酸素付加におけるマンガン、セリウムの選択性について調べた。クラスターと水分子の反応測定は、クラスター装置のイオントラップを改造することにより行う。2017年度にイオントラップ部品の設計・製作を行い、2018年度には組み立て、測定を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度に酸化マンガンクラスターを対象として測定を行ったのに引き続き、2018年度は本研究の主目的である酸化マンガン‐酸化セリウム複合化クラスターを生成し、測定を実施した。X線吸収分光に関しては2018年5月、12月および2019年3月の3回にわたって測定を行った。測定は高エネルギー加速器研究機構の軟X線実験ステーションBL-2Bを共同利用実験として利用し、クラスター装置を持ち込んで行った。マンガンＬ吸収端、セリウムＭ吸収端および酸素Ｋ吸収端領域におけるX線吸収スペクトルが得られ、クラスター中の酸素原子数の増加に伴う金属原子の価数変化がマンガンとセリウムで異なっていることを見出した。この結果は本研究で提案している複合化クラスターによる水分子分解機構を支持するものである。このように複合酸化物の酸化における微視的な元素依存性を明らかにすることが、本研究でサイズ選別クラスターのX線吸収分光測定を行う目的であり、本研究の結果からこの測定の有効性が明らかになったと言える。こうした結果を他の複合酸化物（銅‐セリウム）クラスターなどと比較した議論も行って、学会で報告している。このように成果としてはX線吸収分光測定が先行しているが、クラスターと水分子との反応測定も進行しており、最終年度には両者の結果を併せて議論を行い、成果をまとめる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の予定から大きな変更なく、引き続きX線吸収分光測定、水分子との反応測定を行っていく。X線吸収分光測定については、クラスターのサイズ領域を広げて測定を実施する。このためにクラスター生成法の改良も行っていく。クラスターと水分子の反応測定を引き続き進めていく。反応測定とX線吸収分光測定の結果を併せて議論することで、クラスター複合化の効果や複合クラスターにおける水分解反応の可能性について検討し、成果をまとめる。さらに最適なクラスターのサイズや組成についても探索していく。
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| Causes of Carryover |
X線吸収分光測定の実施が先行したため、反応測定に用いる試料（同位体置換水）の購入が2019年度にずれ込んでいる。この試料の一部はすでに発注済み、残りも発注見込みであり、使用計画に支障は生じない。
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