グラフェン端で生じる電子授受過程に影響する局所電子状態と溶媒和構造の解明

• Project/Area Number: 12J02584
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 宇都宮 徹 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2012 – 2013
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2013: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2012: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 周波数変調子間力顕微鏡 / グラファイト / 水和構造 / フェナレニル / 分子集合体 / 電子移動特性 / アニオン / フェナレニル誘導体分子 / 電気化学測定 / 周波数変調原子間力顕微鏡

Research Abstract

電極表面は電子移動反応が起こる重要な反応場であり、エネルギー変換場として大変重要である。本研究ではグラファイト電極界面の電子移動について、グラフェン端のモデル分子の電気化学測定や走査プローブ顕微鏡を用いた構造観察から分子スケールの描像を得ることを主な目的としている。今年度は以下の課題に取り組んだ。
1. フェナレニル誘導体分子薄膜の電位に依存した表面構造観察
昨年度までに電気化学測定からフェナレニル誘導体分子薄膜の構造変化を示唆する結果を得ていたことから、本年度は電気化学周波数変調原子間力顕微鏡(EC-FM-AFM)を用いて分子薄膜のその場表面構造観察を行った。その結果、電気化学測定の結果に対応した分子の凝集体の構造変化が観測された。電子移動特性に対する界面の構造モデルを検討し、電位に依存した界面自由エネルギーが凝集体の構造変化や酸化還元活性に影響していることが示唆された。
2. EC-FM-AFM観察によるグラファイト電極表面の水和構造解析
電気化学反応に関わる電気二重層の構成要素である電極/水溶液界面の水和構造を解明するために、グラファイト電極の電位制御のもとで過塩素酸と硫酸の水溶液との界面でフォースカーブ測定を行った。その結果、酸化側電位においてアニオンの種類によって異なる水和構造の変化を観測した。構造変化の傾向は各アニオンの溶媒和水分子に対する構造形成・構造破壊特性とも一致することがわかった。支持電解質が与える電極/水溶液界面への影響を明確に示した重要な結果である。電位に依存した水和構造については、ヨウ素修飾金(111)電極/過塩素酸水溶液界面でも観測することに成功しており、水和構造という観点から種々の電極/水溶液界面のさらなる解明の可能性を示唆していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

(抄録なし)

Research Products

• [Journal Article] Ferrocene-Terminated Alkanethiol Self-Assembled Monolayers : An Electrochemical and in situ Surface-Enhanced Infra-red Absorption Spectroscopy Study (2013)
  • Author(s): A. V. Rudnev, U. Zhumaev T. Utsunomiya, C. Fan, Y. Yokota, K. Fukui, T. W andlowski
  • Journal Title: Electrochimica Acta Volume: 107 Pages: 33-44
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2013.05.134
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron Transfer of Phenalenyl Derivative Molecules Adso rbed at the Graphite Electrode / Aqueous Solution Interface (2013)
  • Author(s): T. Utsunomiya, Y. Yokota, T. Enoki, Y. Hirao, T. Kubo, K. Fukui
  • Journal Title: Carbon Volume: 63 Pages: 196-201
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Electrochemical Frequency-Modulation AFM Study of Iodine Modified Au (111) (2013)
  • Author(s): T. Utsunomiya, S. Tatsumi, Y. Yokota, K. Fukui
  • Organizer: 12th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-12) in conjunction with 21st International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM21)
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center (Ibaraki, Japan)
  • Year and Date: 2013-11-05
• [Presentation] グラファイト電極/水溶液界面構造の電気化学周波数変調原子間力顕微鏡による観察 (2013)
  • Author(s): 宇都宮 徹, 横田泰之, 榎敏明, 福井賢一
  • Organizer: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学(京都府京田辺市)
  • Year and Date: 2013-09-19
• [Presentation] Observation of Graphite Step Edges in Electrochemical Envir onment : an EC-FM-AFM Study (2013)
  • Author(s): T. Utsunomiya, Y. Yokota, T. Enoki, K. Fukui
  • Organizer: 5^<th> International Conference on Recent Progress in Graphene Research (RPGR2013)
  • Place of Presentation: 東京工業大学(東京都目黒区)
  • Year and Date: 2013-09-11
• [Presentation] 電気化学周波数変調原子間力顕微鏡によるグラファイト電極表面構造のその場観察 (2013)
  • Author(s): 宇都宮徹
  • Organizer: 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学(神奈川県)
  • Year and Date: 2013-03-30
• [Presentation] Unraveling the Difference of Lateral Interaction within the Ferrocene-Terminated Self-assembled Monolayer in DifferentElectrolytes (2012)
  • Author(s): 宇都宮徹
  • Organizer: 8th Handai Nanoscience and Nanotechnology International Symposium
  • Place of Presentation: 銀杏会館(大阪府)
  • Year and Date: 2012-12-10