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2009 Fiscal Year Annual Research Report

電極表面の吸着分子が触媒する水素発生反応

Research Project

Project/Area Number 21550124
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

大澤 雅俊  Hokkaido University, 触媒化学研究センター, 教授 (00108466)

Keywords水素生成 / 電気分解 / 触媒 / 吸着分子 / 赤外分光 / 電極表面反応 / DFT計算
Research Abstract

エネルギー源としての水素の重要性が増している。水の電気分解は水素製造の一つの手段である。エネルギー源として電力を使用するが、夜間の余剰電力を用いれば経済的にペイする。電気電解のための電極としてPtが最も高活性であるが、より安価な代替電極触媒が求められる。HgやAgなどの不活性な電極でも、溶液中にある種の有機化合物を加えると水素発生の過電圧が低下することが古くから知られているが、その機構は謎のままであった。最近われわれは、4,4'-ビピリジン(BiPy)が過電圧を著しく低下させることを見出し、電極に単分子吸着したBiPyの酸化還元が水素発生を触媒することを明らかにした。この結果は、分子をうまく選択すれば、安価な電極の触媒活性を格段に改善できる可能性を示唆するものである。本研究計画は、分子の触媒機構をより深く理解し、安価な電極の触媒活性をPtに近づけるための道筋を開拓することを目的とした。
本年度は、チオ尿素による促進機構を表面増強赤外分光、電気化学測定法、DFTによる量子化学計算を複合化して検討した。その結果、チオ尿素が2段の1電子還元で水から2個のプロトンを引き抜き、不安定な反応中間体を生成することを見出し、分子内の2個の余分な水素原子がわずかな活性化エネルギー(~10kCal mol^<-1>)で結合し、水素ガスを放出するというモデルを提案した。水素ガスを放出した後、チオ尿素は再度電気化学的に還元されるので、この反応は繰り返し触媒的に進行する。明らかになった反応機構は古くから提案されてきたモデルとは大きく異なる新規反応で、ヒドロゲナーゼなどの生体系における水素活性化機構と類似している。

  • Research Products

    (28 results)

All 2010 2009 Other

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (19 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Mechanistic Studies by Sum-Frequency Generation Spectroscopy : Hydrolysis of a Supported Phospholipid Bilayer by Phospholipase A22010

    • Author(s)
      Tong, Y.; Li, N.; Liu, H.; Ge, A.; Osawa, M.; Ye, S.
    • Journal Title

      Angew.Chem.Int.Ed. 49

      Pages: 2319-2323

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopic Studies of Adsorbed Nitrate, Nitric Oxide, and Related Compounds. 3.Formation and Reduction of Adsorbed Nitrite at a Platinum Electrode2010

    • Author(s)
      Rima, F.R.; Nakata, Ko ; Shimazu, K.; Osawa, M.
    • Journal Title

      J.Phys.Chem.C 114

      Pages: 6011-6018

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dynamics of CO Oxidation on a Polycrystalline Platinum Electrode : A Time-Resolved Infrared Study2009

    • Author(s)
      Samjeske, G., Komatsu, K., Osawa, M.
    • Journal Title

      J.Phys.Chem.C. 113

      Pages: 10222-10228

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Molecular Structures in Solid Substrates Probed by Sum Frequency Generation(SFG)Vibration Spectroscopy2009

    • Author(s)
      Ye, S., Osawa, M.
    • Journal Title

      Chem.Lett. 38

      Pages: 386-391

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Destruction of the Hydration Shell around Tetraalkylammonium Ions at the Electrochemical Interface2009

    • Author(s)
      Yamakata, A., Osawa, M.
    • Journal Title

      J.Am.Chem.Soc. 131

      Pages: 6892-6893

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] ATR-SEIRAS Investigation of the Fermi Level of Pt Cocatalyst on a Ga N Photocatalyst for Hydrogen Evolution under Irradiation2009

    • Author(s)
      Yoshida, M., Yamakata, A., Takanabe, K., Kubota, J., Osawa, M., Domen K.
    • Journal Title

      J.Am.Chem.Soc. 131

      Pages: 13218-13219

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In Situ Scanning Tunneling Microscopy Observation of Metal-Cluster Redox Interconversion and CO Dissociation Reactions at a Solution/Au(111)Interface2009

    • Author(s)
      Noda, H., Uehara, H., Abe M., Michi, T., Osawa, M., Uosaki, K., Sasaki, Y.
    • Journal Title

      Bull.Chem.Soc.Jpn. 82

      Pages: 1227-1231

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 金属表面の光照射プロセス-固気界面から固液界面へ-2009

    • Author(s)
      山方啓, 大澤雅俊
    • Journal Title

      光化学 40

      Pages: 78-84

  • [Presentation] GaN光電極の光励起キャリアーダイナミクス2010

    • Author(s)
      山方啓, 吉田真明, 久保田純, 堂免一成, 大澤雅俊
    • Organizer
      電気化学会第77回大会
    • Place of Presentation
      富山大学(富山県)
    • Year and Date
      2010-03-30
  • [Presentation] 固液界面におけるイオンの水和殻崩壊の時間分解赤外分光観察2010

    • Author(s)
      山方啓, 大澤雅俊
    • Organizer
      日本化学会第90春季年会
    • Place of Presentation
      近畿大学(大阪府)
    • Year and Date
      2010-03-28
  • [Presentation] タングステン酸ビスマス粒子の光触媒活性と励起電子寿命の相関2010

    • Author(s)
      天野史章・山方啓・野上皓平・大澤雅俊・大谷文章
    • Organizer
      第105回触媒討論会
    • Place of Presentation
      京都テルサ(京都府)
    • Year and Date
      2010-03-24
  • [Presentation] Electrooxidation of formic acid on Pt studied by surface-enhanced infrared absorption spectroscpoy(SEIRAS) : Is formate a reactive intermediate or site-blocking spectator?2010

    • Author(s)
      Samjeske, G., Komatsu, K., Osawa, M.
    • Organizer
      ACS 239th National Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2010-03-22
  • [Presentation] Theoretical study of surface-enhanced infrared absorption(SEIRA)2009

    • Author(s)
      Osawa, M.
    • Organizer
      FACSS 2009(The Federation of Analytical Chemistry and Spectroscopy Societies)
    • Place of Presentation
      Louisville, USA
    • Year and Date
      2009-10-22
  • [Presentation] Structure of water at the electrified platinum-water interface studied by infrared spectroscopy2009

    • Author(s)
      Osawa, M., Tsushima, M., Mogami, H., Samjeske, G., Yamakata, A.
    • Organizer
      The 3rd Horiba International Symposium and The 11th ISSP International Symposium(ISSP-11)on Hydrogen and Water in Condensed Matter Physics
    • Place of Presentation
      生命の森リゾート(千葉県)
    • Year and Date
      2009-10-14
  • [Presentation] Hydrogen evolution reaction catalyzed by the redox cycles of 4,4'-bipyridine adsorbed on silver electrodes2009

    • Author(s)
      Uchida, Taro, Yamakata, Akira, Sasaki, Yoichi, Osawa, Masatoshi
    • Organizer
      216th Meeting of The Electrochemical Society
    • Place of Presentation
      Vienna, Austria
    • Year and Date
      2009-10-07
  • [Presentation] 表面増強赤外分光で観る電極触媒反応-Pt表面におけるCl化合物の酸化反応2009

    • Author(s)
      大澤雅俊
    • Organizer
      第104回触媒討論会
    • Place of Presentation
      宮崎大学(宮崎県)
    • Year and Date
      2009-09-29
  • [Presentation] ATR-SEIRAS法によるPt/GaN水分解光触媒のフェルミレベルの観測2009

    • Author(s)
      吉田真明, 山方啓, 久保田純, 大澤雅俊, 堂免一成
    • Organizer
      第104回触媒討論会
    • Place of Presentation
      宮崎大学(宮崎県)
    • Year and Date
      2009-09-28
  • [Presentation] 赤外分光法を用いた光電極の光励起ダイナミクス2009

    • Author(s)
      山方啓, 吉田真明, 久保田純, 堂免一成, 大澤雅俊
    • Organizer
      第104回触媒討論会
    • Place of Presentation
      宮崎大学(宮崎県)
    • Year and Date
      2009-09-27
  • [Presentation] 電極界面とイオンの水和構造と構造破壊2009

    • Author(s)
      山方啓, 大澤雅俊
    • Organizer
      第3回分子科学討論会2009
    • Place of Presentation
      名古屋大学(愛知県)
    • Year and Date
      2009-09-22
  • [Presentation] Pt電極表面におけるCl化合物の酸化反応機構:現状と問題点2009

    • Author(s)
      大澤雅俊
    • Organizer
      2009年電気化学会秋季大会
    • Place of Presentation
      東京農工大学(東京都)
    • Year and Date
      2009-09-11
  • [Presentation] イオンと電極界面の水和構造の変化2009

    • Author(s)
      山方啓, 大澤雅俊
    • Organizer
      2009年電気化学会秋季大会
    • Place of Presentation
      東京農工大学(東京都)
    • Year and Date
      2009-09-11
  • [Presentation] 電極表面に吸着した4,4'ビピリジンが触媒する水素発生促進反応機構2009

    • Author(s)
      内田太郎, 山方啓, 佐々木陽一, 大澤雅俊
    • Organizer
      2009年電気化学会秋季大会
    • Place of Presentation
      東京農工大学(東京都)
    • Year and Date
      2009-09-11
  • [Presentation] 電位による亜硝酸イオンの吸着状態の変化2009

    • Author(s)
      Rima Falhana Rafman, 中田耕, 嶋津克明, 大澤雅俊
    • Organizer
      2009年電気化学会秋季大会
    • Place of Presentation
      東京農工大学(東京都)
    • Year and Date
      2009-09-11
  • [Presentation] Pt電極表面におけるCO酸化反応ダイナミクス:時間分解赤外分光解析2009

    • Author(s)
      Samjeske, Gabor, 小松圭一, 大澤雅俊
    • Organizer
      2009年電気化学会秋季大会
    • Place of Presentation
      東京農工大学(東京都)
    • Year and Date
      2009-09-11
  • [Presentation] 表面増強赤外分光2009

    • Author(s)
      大澤雅俊
    • Organizer
      日本分光学会夏季セミナー
    • Place of Presentation
      幕張メッセ(千葉県)
    • Year and Date
      2009-09-01
  • [Presentation] Infrared study of hydration shells around tetra-alkylammonium cations at the electrochemical interface2009

    • Author(s)
      Yamakata, A., Osawa, M.
    • Organizer
      International Symposium on Nanoelectrochemistry and Spectroelectrochemistry
    • Place of Presentation
      アモイ大学(アモイ、中国)
    • Year and Date
      2009-08-25
  • [Presentation] Dynamics of CO electro-oxidation on a Pt electrode : A time-resolved infrared study2009

    • Author(s)
      Samjeske, G.; Komatsu, K.; Osawa, M.
    • Organizer
      60th Annual Meeting of International Society of Electrochemistry
    • Place of Presentation
      北京大学(北京、中国)
    • Year and Date
      2009-08-18
  • [Remarks]

    • URL

      http://www.cat.hokudai.ac.jp/osawa/

URL: 

Published: 2011-06-16   Modified: 2016-04-21  

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