2019 Fiscal Year Research-status Report
Unusual diffusion behavior of metal ion in nanoconfined ionic liquid solution
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18K19056
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
今西 哲士 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (60304036)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | イオン液体 / 拡散 / ナノ構造 / 金属イオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年までの結果を受け、表面上に規則的ナノディンプルを作成したAu電極を用いて、ナノ空間内におけるイオン液体の局所構造とその印加電位依存性を調べた。その結果、直径160nmのディンプルを持つ電極においては、負から正、あるいは正から負への電位掃引の過程の中、丁度カチオン層とアニオン層が入れ替わる電位近辺において、溶媒和層の密度増加が見られた。前年までの研究において、同じ電位付近でキャパシタンスの大きな増加が観察されていたが、これが溶媒和層の密度増加に関連するものであることを示唆している。
一方で、これらイオン液体の局所構造の変化が本当に拡散挙動に影響を与えるかを詳細に調べるために、まずは平板Au電極を用いて、イオン液体溶媒にAg+イオンを加えた溶液中、電位印可下におけるAg+イオンの拡散挙動についても調べた。その結果、電位を変化させることにより、溶媒和層の層間間隔が変化し、それに対応するようにAg+イオンの拡散速度（係数）が、変化していることがわかった。これは、溶媒和層の間隔が、変化することによって、ホッピングサイトの間隔が変化し、これに拡散挙動が影響を受けたものと考えられる。また、同様の実験をAu3+イオンを使って行った結果、Ag+イオン溶液ほどの大きな電位依存性（層間間隔および拡散係数の変化）は見られなかった。このことは、Au3+イオンがまわりのイオン液体分子と強固な相互作用と行うことにより、溶媒和層の柔軟性が損なわれ、その結果、構造変化の電位依存性が相対的に小さくなったものと考えられる。
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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
これまでの研究では、ナノ空間において、溶質である金属イオンの拡散が大きく変化する傾向が“間接的”（ナノ細孔内における金属イオンの異常高速拡散など）に判明していただけだったが、本年度の研究において、はじめて“イオン液体の局所構造”と“拡散挙動”の関連性が見えてきたと言うことが出来る。イオン液体の局所構造と拡散挙動の関連性は、我々がこれまで提唱してきた“ホッピング様モデル”においては、予測されていたものの、実験的に明らかにしたのは、今回が初めてである。これによって、本研究を始めるにあたって提唱していた仮説の一つが正しいようであるという段階に入った。しかし、その一方で、現段階においては、「イオン液体の局所構造は溶質の拡散挙動に影響を与える」、「ナノ空間内においては、イオン液体の局所構造はバルクのそれとは大きく変化する」の２点は、明らかになっているものの、この２つを直接的につなげる実験結果は得られていない。これが得られないことには、過去の我々の研究において、実際に観察された「ナノ空間に閉じ込められたイオン液体中では、金属イオンは異常高速拡散する」というメカニズムを明らかにしたことにはならない。今後は、このことに焦点をおいて実験を進めて行かなくてはならないと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
「現在までの進捗状況」でも述べたように、現段階では、我々の目指している方向が間違っていないことを示すデータは得られたものの、確実に仮説を証明するには至っていない。これらをきちんと示すことが出来なければ、本研究において最終的に目指している“ナノ空間を利用した拡散挙動の制御”までには至らないと考えている。今度、ナノディンプルのサイズを変化させるなどして、より精密にイオン液体の局所構造をコントロールして、そのときの拡散挙動を細かく観察している必要があると考えている。また、本年度ではあまり手を付けることができなかったが、ナノディンプルだけではなく、ナノ細孔構造内におけるイオン液体の局所構造とその中での金属イオンの拡散挙動を詳しく観察していく必要がある。ナノ細孔電極内における拡散挙動解析や構造解析は、ナノディンプルと比較して測定手段がさらに限られてくるために、多くの制限があるが、電極作成法などを工夫することによって、解決しいく予定である。
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| Causes of Carryover |
本年度の研究の途中において、主要計測器の一つであるインピーダンスアナライザーが故障してしまい、一定期間の間、これを用いたデータを得ることが難しくなってしまった。また、本研究課題の一つである、ナノ細孔試料の作成に一部困難が生じ、それに関する研究があまり進まなかった。このため、本来の使用予定であった予算に余りが生じ、次年度使用額が生じた。今後は、予定通り、新しい部材や試料を導入し、実験を進めて行く予定であり、当初通り予算を消費する予定である。
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[Journal Article] Rapid improvements in charge carrier mobility at ionic liquid/ pentacene single crystal interfaces by self-cleaning2020
Author(s)
Yusuke Morino,Yasuyuki Yokota, Hisaya Hara, Ken-ichi Bando, Sakurako Ono, Akihito Imanishi, Yugo Okada, Hiroyuki Matsui, Takafumi Uemura, Jun Takeya, Ken-ichi Fukui
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Journal Title
Phys. Chem. Chem. Phys.
Volume: 22
Pages: 6131-6135
DOI
Peer Reviewed
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