オペランド時空間イメージングXAFSによる固体触媒の可視化と構造反応

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01940
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 唯 美津木 名古屋大学, 物質科学国際研究センター, 教授 (70396810)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: XAFS / イメージング / オペランド計測 / 固体触媒 / 可視化

Outline of Annual Research Achievements

固体触媒をはじめとする固体機能性材料中の元素の分布、化学状態、局所構造等の構造パラメータの空間分布や時間発展を明らかにする空間分解・時間分解XAFSイメージング計測を通じて、固体材料の反応特性を生み出す構造因子を可視化することを目的としている。平成３０年度は、以下の２つの研究を行った。
（１）高回折効率ゾーンプレートを用いた結像型顕微XAFS計測系を立ち上げ、樹状型酸化鉄結晶およびCrをドープした酸化鉄結晶における相転移過程の２次元XAFSイメージングを行った。結像型顕微XAFS計測システム、データ解析システムを立ち上げ、異なる反応条件で処理を行った酸化鉄結晶に対して、結像型顕微XAFSイメージング計測を行い、結晶中の結晶相の分布を２次元的に可視化した。Crのドープによる結晶相分布の違いを解析することに成功した。
（２）CT法とタイコグラフィーXAFS計測を組み合わせた３次元CT-スペクトロタイコグラフィー法によって、排ガス浄化触媒の担体材料であるセリア－ジルコニア複合酸化物中における酸素拡散の様子を可視化した。３次元空間の各点におけるCe量や価数の構造パラメータセットを、教師なし学習を取り入れたデータマイニングによって解析し、Ceの分布や価数分布、酸素吸蔵進行度、表面からの幾何学的な距離などのパラメータ間の相関を解析することで、セリア－ジルコニア複合酸化物中における酸素吸蔵過程の反応軌跡に関する情報を得ることに成功した。
（３）CT-XAFSの解析プログラムの開発を行い、電池材料等の機能性材料の3次元XAFSイメージングへの展開を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成30年度に計画した研究は、成果があがり、いずれも原著論文として国際誌に投稿・掲載決定済である。また新しく見つかった成果についても、継続的に研究を続けている状況にある。

Strategy for Future Research Activity

既に得られた結果については、実験データの解析や追加検討を更に進め、全て学術論文として報告する予定である。また、これまでの研究を基に新しい系についてもイメージングXAFS計測をスタートさせており、今後も継続して成果を挙げられるように研究を進めていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Kansas Univ.(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Kansas Univ.
• [Journal Article] Operando XAFS Imaging of Distribution of Pt Cathode Catalysts in PEFC MEA (2019)
  • Author(s): H. Matsui, N. Maejima, N. Ishiguro, Y. Tan, T. Uruga, O. Sekizawa, T. Sakata, M. Tada
  • Journal Title: Chemical Record Volume: 19 Pages: in press
  • DOI: 10.1002/tcr.20180123
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxygen-Diffusion-Driven Oxidation Behavior and Tracking Areas Visualized by X-ray Spectro-Ptychography with Unsupervised Learning (2019)
  • Author(s): M. Hirose, N. Ishiguro, K. Shimomura, D. N. Nguyen, H. Matsui, H. C. Dam, M. Tada, Y. Takahashi
  • Journal Title: Coommunication Chemistry Volume: 2 Pages: in press
  • DOI: 10.1038/s42004-019-0147-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Crドープ酸化鉄結晶のドーパントサイト解析とレドックス特性 (2019)
  • Author(s): 松井公佑, 石黒志, 関澤央輝, 宇留賀朋哉, 唯美津木
  • Organizer: 第32回日本放射光学会年会
• [Presentation] Cr, Rh含有セリア結晶内の酸化還元に伴うCe酸化数分布の可視化 (2019)
  • Author(s): 若松昂平, 松井公佑, 石黒志, 邨次智, 関澤央輝, 宇留賀朋哉, 唯美津木
  • Organizer: 第32回日本放射光学会年会
• [Presentation] 3D Imaging of Heterogeneous Catalysts (2019)
  • Author(s): M. Tada
  • Organizer: Workshop on “Solid-State Electrochemistry for Coordination Complexes”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] XAFS Imaging of Solid Catalysts (2019)
  • Author(s): M. Tada
  • Organizer: International Symposium on Heterogeneous Catalysis for Sustainable Energy and Chemical Production
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Low-temperature Redox Behavior and Selective Oxidation Performances of Ceria-based Mixed Oxides with Cr and Rh (2019)
  • Author(s): S. Ikemoto, H. Matsui, S. Muratsugu, M. Tada
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
• [Presentation] CT-XAFSを用いたバルク型全固体リチウムイオン電池合剤電極内の不均一反応のオペランド可視化計測 (2019)
  • Author(s): 戸村愛菜, 木村勇太, Fakkao Mahunnop, 中村崇司, 石黒志, 関澤央輝, 新田清文, 宇留賀朋哉, 奥村豊旗, 唯美津木, 内本喜晴, 雨澤浩史
  • Organizer: 電気化学会第86回大会
• [Presentation] Operando XAFS Imaging of Heterogeneous Catalysts (2018)
  • Author(s): M. Tada
  • Organizer: MIRAI Materials Science Workshop 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] X-ray Imaging of Heterogeneous Catalysts and Electrocatalysts (2018)
  • Author(s): M. Tada
  • Organizer: Gordon Research Conference on Catalysis 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Three-dimensional Chemical Imaiging of Oxygen Storage and Release Particles by Hard X-ray Spectro-Ptychography (2018)
  • Author(s): M. Hirose, N. Ishiguro, K. Shimomura, H. Matsui, M. Tada, and Y. Takahashi
  • Organizer: Coherence 2018: International Workshop on Phase Retrieval and Coherent Scattering
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Visualization of Ce Chemical States and Oxygen Diffusion in Ceria-Zirconia Particles by X-ray Spectro-Ptychography (2018)
  • Author(s): N. Ishiguro, M. Hirose, K. Shimomura, N. Burdet, H. Matsui, Y. Takahashi, and M. Tada
  • Organizer: International Symposium on Relations between Homogeneous and Heterogeneous Catalysis (ISHHC 18)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 第一・第二周期遷移金属を導入したセリア系複合酸化物の調製、レドックス特性と触媒反応 (2018)
  • Author(s): 池本悟, X. Huang, 永瀬晶子, 横田元一, 邨次智, 唯美津木
  • Organizer: 錯体化学会第68回討論会
• [Presentation] 放射光を利用した触媒のキャラクタリゼーション (2018)
  • Author(s): 唯 美津木
  • Organizer: シンポジウム「東北放射光SLiT-Jと触媒研究」
  • Invited
• [Presentation] Nanoscale Chemical Imaging of Three-Way Catalyst Pt/Ce2Zr2Ox Particles by Ptychographic-XAFS (2018)
  • Author(s): M. Hirose, N. Ishiguro, K. Shimomura, H. Matsui, M. Tada, and Y. Takahashi
  • Organizer: 14th Inetrnational Conference on X-ray Microscopy (XRM2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] タイコグラフィXAFSによる三元触媒Pt/Ce2Zr2Ox粒子の酸化状態ナノイメージング (2018)
  • Author(s): 広瀬真, 石黒志, 下村啓, 松井公佑, 唯美津木, 高橋幸生
  • Organizer: 第21回XAFS討論会
• [Presentation] オペランドCT-XAFSを用いたバルク型全固体リチウムイオン電池用合剤電極内反応分布の定量的解析 (2018)
  • Author(s): 木村勇太, 戸村愛菜, Fakkao Mahunnop, 中村崇司, 石黒志, 関澤央輝, 新田清文, 宇留賀朋哉, 奥村豊旗, 唯美津木, 内本喜晴, 雨澤浩史
  • Organizer: 2018年電気化学秋季大会
• [Presentation] オペランドCT-XAFSによるバルク型全固体リチウムイオン電池用合剤電極における反応分布形成要因の解明 (2018)
  • Author(s): 木村勇太, 戸村愛菜, Fakkao Mahunnop, 中村崇司, 石黒志, 関澤央輝, 新田清文, 宇留賀朋哉, 奥村豊旗, 唯美津木, 内本喜晴, 雨澤浩史
  • Organizer: 第59回電池討論会
• [Presentation] イメージングXAFSと情報処理による可視化 (2018)
  • Author(s): 唯 美津木
  • Organizer: 第10回岩澤コンファレンス
  • Invited
• [Presentation] 硬X線XAFSイメージングによる固体触媒材料の可視化 (2018)
  • Author(s): 唯 美津木
  • Organizer: 第38回表面科学会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 3次元XAFSイメージングによる固体触媒の可視化研究 (2018)
  • Author(s): 唯 美津木
  • Organizer: SPring-8利用推進協議会GSC研究会
  • Invited