2013 Fiscal Year Annual Research Report
イオン液体電析プロセスにおける「水」～その統合的理解、排除と積極活用～
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25249106
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Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
邑瀬 邦明 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30283633)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
一井 崇 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30447908)
北田 敦 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30636254)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 金属生産工学 / 電気化学 / 溶液化学 / イオン液体 / 金属塩 / 水分含量 / 電析プロセス / 走査プローブ顕微鏡 |
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| Research Abstract |
２価の金属塩を含有するイオン液体 trimethyl-n-hexylammonium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]amide に対する飽和水分含量を調べ、飽和水分含量が金属イオンのルイス酸性と相関があることを見いだした。ストロンチウム塩を含む、いくつかのイオン液体に飽和量以下の水を加えたところ、チンダル現象を呈し、サブミクロンサイズの水の逆ミセルが形成されていることを動的光散乱により明らかにした。また、水の添加に伴う Ag+/Ag 系の電極電位の変化を起電力法により調べたところ、水分子が Ag+ イオンに配位してその活量を下げ、電極電位を卑にシフトさせることを見いだすとともに、シフト量からその相互作用を見積もった。
一方、周波数変調原子間力顕微鏡（FM-AFM）を用いるイオン液体-電極界面の可視化に関しては、本研究の特徴である音叉型水晶振動子（QTF）のノイズ低減を目指し、光干渉計の変位検出系への導入を試みた。光ファイバの端面と QTF 背面との間で干渉現象が起こることを確認し、いくつかの改善によって干渉状態を安定させることに成功した。また、光ファイバを偏波保持ファイバ（PMF）に変更し、劈開したファイバ端面へ Au を蒸着することで装置の高感度化に成功した。
本研究を始めるきっかけとなった、水分含有イオン液体における Mg のアノード溶解加速現象について、いくつかのデータを補強の上、論文として投稿し掲載された。また、水分添加からヒントを得て、中性分子であるグライム類を添加したイオン液体を溶媒に用いたところ、イオン液体単独の溶媒ではこれまで成功していなかった金属 Mg の可逆的な還元析出／酸化溶解が可能であることを見いだし、これも論文掲載に至った。現在、同様の溶媒から Al の電析が可能かどうか調べる実験に着手している。
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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
金属塩含有時の飽和水分含量の測定に関しては、当初の計画通り、平成２５年度上半期に終わらせることができた。この知見を土台に、諸物性（粘性、電気伝導性、配位環境）の系統的評価へと研究はスムーズに移行できている。当初予定していた熱的安定性の評価に関してはいまだ着手できていないが、一方で金属塩含有イオン液体におけるサブミクロンサイズのエマルジョン形成といったこの系に特有と思われる物理化学的に興味深い現象を見いだし、動的光散乱を用いたエマルジョン径の見積もりなど、当初想定していなかった方向へも研究が広がりつつある。
FM-AFM によるイオン液体-電極界面の可視化については、真空中で低ノイズ化に成功した実績をもつ光干渉計を変位検出系に導入し、いくつかの改良を行うことで、装置のさらなる高感度化に成功している。金属塩を含有したイオン液体への適用はいまだ行っていないが、これは当初からの予定であり、今後もしばらくは純粋なイオン液体を用いて装置改良を行う予定でいる。
本研究では中性分子である「水」をイオン液体に添加している。これにより浴の粘性が低下し、電気伝導性が向上することを本年度見いだした。ここからヒントを得て、中性分子のグライム類をイオン液体に添加することで、世界で初めてイオン液体系からの金属 Mg の析出／溶解に成功した。この知見は金属 Al の電析研究（平成２６年度 挑戦的萌芽研究「アルミニウムの製錬、電気めっき、電池負極化にむけた室温低粘性ＤＥＳ電解液の設計」）に結びついた。
以上の成果はイオン液体討論会、資源・素材学会、電気化学会、応用物理学会、The Electrochemical Society において発表した。特に、グライム添加イオン液体からの Mg 電析に関しては、資源・素材学会関西支部から優秀発表賞、電気化学会関西支部から奨励賞を得ている。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画は当初の予定通り進捗しており、大きな研究計画の変更はない。ただし、金属塩含有イオン液体におけるエマルジョン形成現象に関しては、当初の予想になかった新しい知見であり、平成２６年度以降、小角Ｘ線散乱等を用いてこれをより深く調べる予定である。水分子の状態解析には赤外スペクトル（FT-IR）やラマンスペクトルを用いる。また、平成２６年度以降は水分含量や平衡電位の測定結果を踏まえた金属電析研究をより推進し、電析物評価のための粉末Ｘ線解析システム（ソフトウェア）を設備備品として導入する予定である。当初の計画にある酸化亜鉛など酸化物半導体の電析に加え、Mg や Al 金属の電析に関して系統的に評価する。
イオン液体－電極界面の FM-AFM 観察では、平成２５年度の改良した装置をベースに研究をすすめる。当初の計画ではさらにコントロールシステムを設備備品として購入する予定であったが、予算が減額されたため別予算にてこれを購入し研究に充てる。
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[Presentation] qPlusセンサ2014
Author(s)
一井 崇
Organizer
平成２５年度ＳＰＭ実践セミナー
Place of Presentation
産業技術総合研究所（つくば）
Year and Date
20140127-20140127
Invited
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