2021 Fiscal Year Research-status Report
Control of Proton Conductivity by Vibrational Level Modulation
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21K14596
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
福島 知宏 北海道大学, 理学研究院, 助教 (50801560)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 振動強結合 / イオン伝導 / ポラリトン / 共振器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子の有する振動エネルギーと真空場の光学エネルギーが量子相関を有することで振動ポラリトン状態という分子間にエネルギー相関を有する状態が創出される。特に結合エネルギーが大きいときには振動強結合状態と呼ばれる状態が生じ、近年では熱化学反応のダイナミクスを制御可能な指針として提案されている。振動強結合状態の電気化学系への適用とその原理探索を目的として、本年度は共振器中における水の振動強結合の観測と電解質水溶液のイオン伝導度変調に関して検討を行った。
分光計測および電気化学計測が適用可能なセルを開発し、電解質水溶液の厚さを数μm程度とした上で、角度依存分光計測を行ったところ、OH伸縮モードが共振器モードと強く結合することが明らかとなった。水の分子濃度に依存して結合強度を弱結合の領域から超強結合領域まで制御可能なことを明らかとした。さらには共振器の厚さを制御して、共振器モードを2,3,4次と制御したところ、超強結合状態下においては、共振器モードに依存して水の水素結合の状態がバルクとは異なることが示唆された(J. Phys. Chem. C, 2021)。
電気化学交流インピーダンス計測より、共振器中における電解質水溶液のイオン伝導度および誘電率に関して検討を行った。対照実験として、セル定数が同じでありながら、共振モードを有さないセルにおいてはイオン伝導度および誘電率はバルクの物性値と同じであった。一方で共振器中においては、誘電率の向上とイオン伝導度の向上が観測された。特にプロトン伝導度に関しては最大で1桁以上ものイオン伝導度の増大が明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究課題においては振動強結合状態のイオン伝導変調という試みであり、電気化学セルの設計、計測精度の保証などの課題があった。電気化学セルのセル定数、窓板の材料、反射材の材質、厚さなどを種々検討することにより最適化を行い、振動強結合状態での分光計測および電気化学計測を可能とした。さらにはセル長が変化しない温度可変電気化学セルの開発を行い、種々の電解質水溶液の温度可変計測を行うことも可能とした。
水の結合強度および次数依存性に関しては、スペーサーを導入しないことによって、従来の研究でなされてきた10μm程度の厚みから数μmのへとすることができ、次数に依存した物性量変化を定量化することができた。赤外分光計測に関しても角度依存透過計測を行う系を構築し、さらにはイオン伝導度計測に関しても交流インピーダンスの確度として保証されている抵抗および静電容量の計測系を構築した。
当初はプロトン伝導計測のみを研究対象としていたが、実際に種々の電解質水溶液に関して検討を行うことにより、イオンの水和構造に依存した輸率変化も見出している。さらには濃厚電解質水溶液に関しても検討可能であり、種々の電解質水溶液において従来のイオン伝導度の限界突破が可能となる指針であることを見出している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究計画としてはまずイオン伝導度の変調に関して温度依存計測からその伝導機構を明らかにするとともに、その共振器モード依存性を明らかとする予定である。さらには、水和構造に依存したイオンの輸率変化に関しても検討するとともに、濃厚電解質水溶液においてイオンの水和構造選択的に結合した際のイオン伝導度の変化に関して検討を行い、水和構造の動的構造変調に関して知見を深めていく。
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