2018 Fiscal Year Research-status Report
Estimation of AC impedance by magnetic method and its application to the evaluation of electrochemical reaction in localize region
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18K04168
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
堺 健司 岡山大学, ヘルスシステム統合科学研究科, 助教 (40598405)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電気化学インピーダンス / SQUID / 磁場分布 / 色素増感型太陽電池 / 触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者が提案した磁気計測による局所領域の電気化学インピーダンススペクトル（Localized Electrochemical impedance spectroscopy: LEIS）評価法の最適な計測条件や空間分解能について，電気化学反応で動作する色素増感型太陽電池を作製し測定することで検討を行った。
超高感度磁気センサのSQUIDの感度軸を変化させ3軸方向の磁場を測定した結果，電池内を流れる電流と垂直な磁場を測定した場合にS/N比が高く，電気化学インピーダンスに対応した磁気信号を取得できることが分かった。
また，実際のデバイスで提案する磁場計測を用いたLEIS評価が可能であるかを実証するために，1つの太陽電池セル内で白金と炭素の2種類の触媒材料を使用し，部分的に電気化学インピーダンスが異なる太陽電池を作製し測定を行った。その結果，各触媒材料の上側にSQUIDを配置して測定した磁場の周波数特性は触媒材料に応じて異なる値を示し，この違いは各触媒材料に対応する電気化学インピータンスと定性的に一致することが分かった。一方，この太陽電池を既存の電気化学インピーダンス評価装置で測定した結果，2つの触媒を含む電極間の測定評価であるため，各領域の特性を評価することはできず，本手法の優位性を示すことができた。
さらに，触媒材料の違いが表れる周波数の磁場を印加し，触媒の境界を含む領域で磁場分布を測定し触媒材料の違いを可視化した。その結果，各領域の触媒に対応して磁場強度が異なる画像が得られることが分かり，この場合境界付近の磁場信号が変化する範囲は3 mm程度であった。この結果より開発した計測システムの空間分解能が明らかになったが，本研究では数百マイクロメートルから1 mm程度の領域における電気化学インピーダンス変化の検出を目的としており，更なる改善が必要であることも明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度に予定していた研究内容は，提案手法により測定した磁場信号と電気化学インピーダンスとの対応が妥当であるか，現状の開発した計測システムで空間分解能がどの程度あるかを調査することであった。当初は電気回路を用いてこの特性評価を行う予定であったが，実際のデバイスへの応用も早期に検討した方が良いと判断し，2年目に予定していた太陽電池の作製，測定を前倒しして行った。
実際の研究では，太陽電池を作製し最適な磁場の検出方向を実験的に検討して明らかにすることができた。また，局所的に交流インピーダンスが異なる太陽電池も作製し，局所領域の交流インピーダンスの違いを可視化し，現状の計測システムが有する空間分解能を明らかにすることもできた。
しかし，計画当初予定していたシミュレーションにより電流分布を計算し，最適な測定条件や空間分解の向上を検討する項目については現在進行中で完了しておらず，この点については計画よりも遅れている。そのため現在の進捗状況は「やや遅れている」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
1年目で完了していないシミュレーションによる検討を引き続き行うとともに，シミュレーション結果を利用して，磁気センサの配置や磁場検出部に局所領域の磁場を選択的に検出できるプローブの導入などの検討を行い，空間分解能の向上を試みる。また，検出した磁場のデータから逆問題解析などデータ処理を行うことにより空間分解能を向上させ，電気化学インピーダンスが異なる領域の推定精度が向上できないかも試みる。
これらの改善結果を実際のデバイスの測定で評価するため，1年目と同じ色素増感型太陽電池を作製・測定して評価を行う。1年目は触媒材料を変化させただけであったが，2年目は太陽電池の色素や触媒，二酸化チタンの膜厚や膜の形状などを変化させ，局所領域の電気化学インピーダンスが異なる様々な試料を作製・測定する。これにより，実際のデバイスでLEISの測定がどの程度の精度で行えるかを検証する。
以上の実験により，1年間で改善した計測システムでどの程度の領域の電気化学インピーダンス変化が評価可能であるかを明らかにし，次年度の各種電池評価に向けて本手法の適用可能な範囲の見通しを示す。
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| Causes of Carryover |
試料の作製用に購入していた材料が既存のもので足りることが分かり，本年度は購入を行わなかった。従って，次年度に残額を使用して材料を購入する予定である。
また，予定していた国内の学会へ参加しなかったため，その旅費が残り，これは次年度に開催される国内学会へ参加する際の旅費として使用する予定である。
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