2023 Fiscal Year Annual Research Report
Tuning electrochemical reactions via reaction field design
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22K14542
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
片山 祐 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (70819284)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 水素結合ネットワーク / ルイス酸性 / ナノ反応場 / オペランド分光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度までに合成した層状酸化物の層間に金属錯体からなる触媒活性サイトを導入し、層間を反応の舞台(=ナノ反応場)に見立てた電極触媒の機能開拓を実施した。具体的には、活性サイトの設計（単一もしくは、複数種の金属錯体が共存するもの）と活性サイト周辺環境の設計（水分子の水素結合ネットワークを変調させる第三体カチオンを共収容したもの）を検討した。オペランド分光法を用いて各種電気化学反応中の層間での電気化学反応メカニズム（中間体の特定）並びに水分子の水素結合ネットワークの電位依存性の観察にも成功した。顕著な知見を以下に示す。
(1)合成したナノ反応場での酸素発生反応を種々の活性金属種を収容した層状酸化物にて系統的に検討した。ナノ反応場においては、従来の活性金属の電子状態に加え、活性金属種のルイス酸性が酸素発生反応活性を説明する因子となることが明らかになった。また、活性金属のルイス酸性によって、層間種とホスト材料（酸化マンガン）との相互作用の強度が変わり、反応場が層間から層最表面へと変化することがわかった。
(2)合成したナノ反応場での酸素発生反応をNiを活性種とし、アルカリ金属カチオンを第三体イオンとして共収容した層状酸化物にて検討した。バルクで知られている通り、第三体イオンの水素結合形成能によって酸素発生反応活性は変化した。一方で、その変化の程度はバルクと比較して極めて大きいことが明らかになり、水分子の水素結合ネットワーク制御がナノ反応場での酸素発生反応活性向上の一つの方策となることがわかった。
(3)合成したナノ反応場でのアンモニア酸化反応を複数の活性金属種が共収容された層状酸化物にて検討した。ナノ反応場においては、複数の活性金属種が共存することによる新たな効果が発現することが明らかになった。これにより、バルク材料では難しかった選択的に窒素を生成するアンモニア酸化触媒の開発に成功した。
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