高効率な時間分解XAFS法を用いた光反応中間体の詳細な構造解析

• 研究領域: 人工光合成による太陽光エネルギーの物質変換：実用化に向けての異分野融合
• 研究課題/領域番号: 15H00890
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 野澤 俊介 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (20415053)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2016年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2015年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 人工光合成 / 光機能材料 / 分子動画 / 量子ビーム / 再生可能エネルギー / エネルギー効率化 / X線 / 可視化 / 光物性

研究実績の概要

前年度インストールが完了した高繰り返しファイバーレーザーを用い、X線集光レンズに改良を加えマイクロビーム条件でポンププローブ測定を実施し、高周波数帯における変調法により過渡的なX線シグナルを抽出することにより、放射光施設PF－ARから７９４ｋHzで発せられるパルスX線を間引かずに全て利用するピコ秒時間分解XAFSシステムを構築した。ビームラインNW14Aに設置された周期超３６ｍｍのアンジュレーターを用いると5-24keVにおいて、広い波数空間においてS/N比の良い過渡EXAFSスペクトルを得ることが可能となり、Ti,Fe,Co,W,Re、Ir,Os,Ru等の光触媒反応に重要な元素周りの局所的な動的構造解析が行えるようになった。
本研究においてまず、測定ターゲットとした選定されたホスフィン配位子の種類を変えたRe(I)錯体の3MLCT状態の動的構造解析では、電荷移動に起因した金属元素周りの構造歪みから、励起状態では配位子間において強いπ-π相互作用が働いており、触媒効率と相関があることが示唆された。
また、Ru(II)錯体の3MLCT状態における、励起状態の電子状態と過渡的な構造変化に関する研究においては、配位子を変えた類似錯体と励起状態の過渡EXAFSスペクトルを比較研究することで、光励起電荷移動によって一つの配位子に電子が局在した過渡的な電子状態変化により、配位子構造の対称性低下が引き起こされていることが明らかになった。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] プサン大(韓国)
• [国際共同研究] ローレンス・バークレー国立研究所(米国)
• [国際共同研究] ドイツ電子シンクロトロン(ドイツ)
• [雑誌論文] Solar-driven Z-scheme water splitting using tantalum/nitrogen co-doped rutile titania nanorod as an oxygen evolution photocatalyst (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Nakada, S. Nishioka, J. J. M. Vequizo, K. Muraoka, T. Kanazawa A. Yamakata, S. Nozawa, H. Kumagai, S. Adachi, O. Ishitani, K. Maeda
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: . 号: 23 ページ: 11710-11719
  • DOI: 10.1039/c6ta10541f
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cobalt Oxide Nanoclusters on Rutile Titania as Bifunctional Units for Water Oxidation Catalysis and Visible Light Absorption: Understanding the Structure Activity Relationship (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Maeda, K. Ishimaki, M. Okazaki, T. Kanazawa, D. Lu, S. Nozawa, H. Kato, M. Kakihana
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 9 号: 7 ページ: 6114-6122
  • DOI: 10.1021/acsami.6b15804
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A Ruthenium(III)-Oxyl Complex Bearing Strong Radical Character (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimoyama, T. Ishizuka, H. Kotani, Y. Shiota, K. Yoshizawa, K. Mieda, T. Ogura, T. Okajima, S. Nozawa, T. Kojima
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 55 号: 45 ページ: 14041-14045
  • DOI: 10.1002/anie.201607861
  • 査読あり
• [雑誌論文] Femtosecond X-ray solution scattering reveals that bond formation mechanism of a gold trimer complex is independent of excitation wavelength (2016)
  • 著者名/発表者名: K. H. Kim, J. G. Kim, K. Y. Oang, T. W. Kim, H. Ki, J. Jo, J. Kim, T. Sato, S. Nozawa, S. Adachi, H. Ihee
  • 雑誌名: Struct. Dyn. 巻: 3 号: 4 ページ: 043209-043209
  • DOI: 10.1063/1.4948516
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Visible-Light-Responsive CuLi1/3Ti2/3O2 Powders Prepared by a Molten CuCl Treatment of Li2TiO3 for Photocatalytic H2 Evolution and Z‐Schematic Water Splitting (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Iwashina, A. Iwase, S. Nozawa, S. Adachi, A. Kudo
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 28 号: 13 ページ: 4677-4685
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b01557
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Visualization of the birth of molecules by XFEL (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Nozawa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Optics 巻: 45 ページ: 432-437
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dynamics of Photoelectrons and Structural changes of Tungsten Trioxide Observed by Femtosecond Transient XAFS (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Uemura, D. Kido, Y. Wakisaka, H. Uehara, T. ohba, Y. Niwa, S. Nozawa, T. Sato, K. Ichiyanagi, R. Fulaya, T. Katayama, T. Togashi, S. Owada, M. Yabashi, K. Hatada, S. Takakusagi, T. Yokoyama, B. Ohtani, K. Asakura
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 55 号: 4 ページ: 1364-1367
  • DOI: 10.1002/anie.201509252
  • NAID: 120005946855
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Visualization of transient molecular structures by high-repetition-rate time-resolved XAFS (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Nozawa
  • 学会等名: 2017 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • 発表場所: 立命館大学(滋賀県・草津市)
  • 年月日: 2017-03-02
  • 国際学会
• [学会発表] Direct observation of bond formation by femtosecond X-ray solution scattering (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Nozawa, Kyung Hwan Kim, Jong Goo Kim, Tokushi Sato,Key Young Oang, Tae Wu Kim, Hosung Ki, Junbeom Jo, Sungjun Park, Changyong Song, Takahiro Sato, Kanade Ogawa, Tadashi Togashi, Kensuke Tono, Makina Yabashi, Tetsuya Ishikawa, Joonghan Kim, Ryong Ryoo, Jeongho Kim Hyotcherl Ihee, Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: 2016 Asian Crystallographic Association Meeting
  • 発表場所: ベトナム, ハノイ, Hanoi University of Science and Technology
  • 年月日: 2016-12-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Upgrade the beamline ＰＦ-ＡＲ ＮＷ14Ａ for the high-reptitionrate x-ray pump-probe experiments (2016)
  • 著者名/発表者名: 野澤俊介
  • 学会等名: 9th edition of the Mechanical Engineering Design of Synchrotron Radiation Equipment and Instrumentation (MEDSI) conference
  • 発表場所: スペイン, バルセロナ, Cosmocaixa, the science museum of Barcelona
  • 年月日: 2016-09-11
  • 国際学会
• [学会発表] PF-AR NW14Aで再構築された高繰り返しピコ秒時間分解XAFS (2016)
  • 著者名/発表者名: 野澤俊介
  • 学会等名: 第19回XAFS討論会
  • 発表場所: 名古屋大学(愛知県・名古屋市)
  • 年月日: 2016-09-03
• [学会発表] Ultrafast molecular structural dynamics of metal complexes probed by time-resolved X-ray experiments (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Nozawa
  • 学会等名: Pacifichem2015
  • 発表場所: ホノルル（アメリカ）
  • 年月日: 2015-12-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フェムト秒 X 線溶液散乱による化学結合形成に伴った分子生成過程の可視化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 野澤俊介
  • 学会等名: 東北大学金属材料研究所研究会 「量子ビーム強磁場実験の進展と将来-基礎物理および物質科学への応用」
  • 発表場所: 東北大学金属材料研究所（岩手県・仙台市）
  • 年月日: 2015-09-30
  • 招待講演
• [学会発表] Excited-state Molecular Structures of Metal Complexes Measured by Time-resolved XAFS (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Nozawa
  • 学会等名: XAFS16
  • 発表場所: カールスルーエ（ドイツ）
  • 年月日: 2015-08-23
  • 国際学会
• [学会発表] X 線自由電子レーザー（XFEL）を用いたフェムト秒分子動画撮影法による化学結合形成に伴った分子生成過程の可視化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 野澤俊介
  • 学会等名: 第27回 配位化合物の光化学討論会
  • 発表場所: 佐渡インフォメーションセンター（新潟県・佐渡市）
  • 年月日: 2015-08-07
• [学会発表] Molecular Structural Dynamics of Photofunctional Complexes Probed by Time-resolved XAFS and X-ray Liquid Scattering (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Nozawa
  • 学会等名: IUPAC-2015
  • 発表場所: プサン（韓国）
  • 年月日: 2015-08-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 太陽電池や光触媒の基礎反応である電子移動のメカニズム (2015)
  • 著者名/発表者名: 野澤俊介
  • 学会等名: 第18回 XAFS討論会
  • 発表場所: 高エネルギー加速器研究機構（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2015-07-29
  • 招待講演
• [学会発表] Direct observation of bond formation by femtosecond X-ray solution scattering (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Nozawa
  • 学会等名: SRI2015
  • 発表場所: ニューヨーク（アメリカ）
  • 年月日: 2015-07-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 産業応用を目指した無機・有機新材料創製のための構造解析技術 (2015)
  • 著者名/発表者名: 一柳光平, 野澤俊介
  • 総ページ数: 19
  • 出版者: CMC出版