表面増強赤外吸収・ラマン散乱の比較による増強機構の検討

• 研究領域: 光―分子強結合反応場の創成
• 研究課題/領域番号: 21020003
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 大澤 雅俊 北海道大学, 触媒化学研究センター, 教授 (00108466)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2010
• 研究課題ステータス: 完了 (2010年度)
• 配分額: 3,800千円 (直接経費: 3,800千円); 2010年度: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2009年度: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
• キーワード: 化学物理 / 表面・界面物性 / フォトニック結晶 / 触媒反応 / 表面増強赤外吸収 / 表面増強ラマン散乱 / 固液界面 / 表面振動分光 / 金属ナノ微粒子 / 電極触媒 / 機能表面

研究概要

表面増強赤外吸収(SEIRA)と表面増強ラマン散乱(SERS)の比較によりそれらの増強機構を考察するとともに、応用を検討した。
1.燃料電池触媒反応の解析:メタノールならびにギ酸は燃料電池の燃料と期待され、Pt表面におけるこれら化合物の酸化反応が古くから検討されてきた。しかし、その反応機構は現在でも解決されていない、SEIRA分光を用いて、われわれは、反応が起こっている電極触媒表面にギ酸イオンが吸着していることを初めて見出し、反応の中間体であることを示唆した。これに対して、ドイツのグループは、ギ酸イオンは単に吸着しているだけで反応を妨害していると主張した。そこで、時間分解SEIRA分光によるより詳細な解析を行い、我々が以前から主張しているように、吸着ギ酸イオンを経由して反応していることを証明した。
2.陽イオンの水和構造と荷電固体表面との相互作用解析:固液界面反応を理解するうえで分子ならびにイオンの水和構造と表面との相互作用を理解することが必須である。電極電位で表面の電荷量を制御することによりイオン濃度を増加させ、SEIRASを用いて界面を選択的に測定するという新しいアプローチを提案し、陽イオン(金属イオンならびにテトラアルキルアンモニウムイオン)の水和構造を明らかにした。また、強い界面電場中で水和イオンを電極表面に強く押し付けることにより、水和イオンと表面の相互作用を詳しく検討し、一定以上の力を加えると水和殻が崩壊すること、崩壊の程度が水和殻の構造に依存すること、疎水性水和殻と疎水表面の間に4kcal/mol程度のエネルギー障壁があることなどを初めて明らかにした。
3.半導体表面でのSERSとSEIRAの理論解析:SERSとSEIRAは、実験的には金属表面でのみ観測されているが、理論計算の結果、半導体表面でも起こり得ることを理論的に示した。

研究成果

• [雑誌論文] A butadiyne-linked diruthenium molecular wire self-assembled on a gold electrode surface (2011)
  • 著者名/発表者名: Li-Yi Zhang
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 47 ページ: 923-925
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Role of Bridge-Bonded Adsorbed Formate in the Electrocatalytic Oxidation of Formic Acid on Platinum (2011)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Osawa
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 50 ページ: 1159-1163
  • 査読あり
• [雑誌論文] 表面増強赤外分光でみた電極-電解液界面の水の構造と挙動 (2011)
  • 著者名/発表者名: 大澤雅俊
  • 雑誌名: 分析化学 巻: 60 ページ: 1-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic light absorption by localized surface plasmon resonance in a thin film of gold nanoparticles studied by visible multiple-angle incidence resolution spectrometry (2011)
  • 著者名/発表者名: Akiyoshi Kasuya
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 13(印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] DME Dissociation Reaction on Platinum Electrode Surface : A Quantitative Kinetic Analysis by In Situ IR Spectroscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: Yi Zhang
  • 雑誌名: Journal of Electrochemical Society 巻: 157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopic Studies of Adsorbed Nitrate, Nitric Oxide, and Related Compounds.3.Formation and Reduction of Adsorbed Nitrite at a Platinum Electrode (2010)
  • 著者名/発表者名: Farhana Rahman Rima
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 114 ページ: 6011-6018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanistic Studies by Sum-Frequency Generation Spectroscopy : Hydrolysis of a Supported Phospholipid Bilayer by Phospholipase A(2) (2010)
  • 著者名/発表者名: Yujin Tong
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 49 ページ: 2319-2323
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrochemical behaviors of dimethyl ether on platinum single crystal electrodes.Part II : Pt(100) (2010)
  • 著者名/発表者名: Leilei Lu
  • 雑誌名: Journal of Electroanalytical Chemistry 巻: 642 ページ: 82-91
  • 査読あり
• [雑誌論文] Destruction of the Water Layer on a Hydrophobic Surface Induced by the Forced Approach of Hydrophilic and Hydrophobic Cations (2010)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry Letter 巻: 1 ページ: 1487-1491
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interference effects in the sum frequency generation spectra of thin organic films.I.Theoretical modeling and simulation (2010)
  • 著者名/発表者名: Yujin Tong
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 133
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interference effects in the sum frequency generation spectra of thin organic films.II : Applications to different thin-film systems (2010)
  • 著者名/発表者名: Yujin Tong
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 133
  • 査読あり
• [雑誌論文] 赤外分光測定法-基礎と最新手法、第II部 各種分光法、第6回9B.表面増強赤外測定法 (2010)
  • 著者名/発表者名: 大澤雅俊
  • 雑誌名: 分光研究 巻: 59 ページ: 305-312
  • 査読あり
• [雑誌論文] DME Dissociation Reaction on Platinum Electrode Surface : A Quantitative Kinetic Analysis by In Situ IR Spectroscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: Zhang, Y, Tong, Y.-J., Lu, L.-L., Osawa, M., Ye, S.
  • 雑誌名: J.Electrochem.Soc. 157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanistic Studies by Sum-Frequency Generation Spectroscopy : Hydrolysis of a Supported Phospholipid Bilayer by Phospholipase A2 (2010)
  • 著者名/発表者名: Tong, Y., Li, N., Liu, H., Ge, A., Osawa, M., Ye, S.
  • 雑誌名: Angew.Chem.Int.Ed. 49 ページ: 2319-2323
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopic Studies of Adsorbed Nitrate, Nitric Oxide, and Related Compounds.3.Formation and Reduction of Adsorbed Nitrite at a Platinum Electrode (2010)
  • 著者名/発表者名: Rima, F.R., Nakata, Ko, Shimazu, K., Osawa, M.
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.C 114 ページ: 6011-6018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamics of CO Oxidation on a Polycrystalline Platinum Electrode : A Time-Resolved Infrared Study (2009)
  • 著者名/発表者名: Samjeske, G., Komatsu, K., Osawa, M.
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.C. 113 ページ: 10222-10228
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Structures on Solid Substrates Probed by Sum Frequency Generation(SFG)Vibration Spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: Ye, S., Osawa, M.
  • 雑誌名: Chem.Lett. 38 ページ: 386-391
  • 査読あり
• [雑誌論文] Destruction of the Hydration Shell around Tetraalkylammonium Ions at the Electrochemical Interface (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 131 ページ: 6892-6893
  • 査読あり
• [雑誌論文] ATR-SEIRAS Investigation of the Fermi Level of Pt Cocatalyst on a GaN Photocatalyst for Hydrogen Evolution under Irradiation (2009)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, M., Yamakata, A., Takanabe, K., Kubota, J., Osawa, M., Domen K.
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 131 ページ: 13218-13219
  • 査読あり
• [雑誌論文] In Situ Scanning Tunneling Microscopy Observation of Metal-Cluster Redox Interconversion and CO Dissociation Reactions at a Solution/Au(111)Interface (2009)
  • 著者名/発表者名: Noda, H., Uehara, H., Abe M., Michi, T., Osawa, M., Uosaki, K., Sasaki, Y.
  • 雑誌名: Bull.Chem.Soc.Jpn. 82 ページ: 1227-1231
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adsorption of Propylene Carbonate(PC)on the LiCoO_2 Surface Investigated by Nonlinear Vibrational Spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: Liu, H.-J., Tong, Y.-J., Kuwata, N., Osawa, M., Kawamura, J., Ye, S.
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.C 113 ページ: 20531-20534
  • 査読あり
• [雑誌論文] 金属表面の光照射プロセス -固気界面から固液界面へ- (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 雑誌名: 光化学 40 ページ: 78-84
• [学会発表] ロジウム電極上に吸着したNOの赤外分光法によるキャラクタリゼーション (2011)
  • 著者名/発表者名: 中田耕
  • 学会等名: 電気化学78大会
  • 発表場所: 横浜国立大学常盤台キャンパス(横浜市)
  • 年月日: 2011-03-29
• [学会発表] 赤外分光法によるCu/Pd電極上の硝酸イオンおよび関連物質の吸着状態解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 山木邦亮
  • 学会等名: 電気化学78大会
  • 発表場所: 横浜国立大学常盤台キャンパス(横浜市)
  • 年月日: 2011-03-29
• [学会発表] Structural studies of quaternary ammonium surfactant monolayers (2010)
  • 著者名/発表者名: Shen Ye
  • 学会等名: PacifiChem 2010
  • 発表場所: Sheraton Waikiki (Honolulu, USA)
  • 年月日: 2010-12-18
• [学会発表] Destruction of water layers around ions and electrode surface by their forced approach (2010)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: PacifiChem 2010
  • 発表場所: Sheraton Waikiki (Honolulu, USA)
  • 年月日: 2010-12-17
• [学会発表] Solvent adsorption on the LiCoO2 surface studied by SFG spectroscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: Shen Ye
  • 学会等名: PacifiChem 2010
  • 発表場所: Sheraton Waikiki (Honolulu, USA)
  • 年月日: 2010-12-17
• [学会発表] Role of bridge-bonded formate in the electrocatalytic oxidation of formicacid on platinum (2010)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Osawa
  • 学会等名: PacifiChem 2010
  • 発表場所: Sheraton Waikiki (Honolulu, USA)(招待講演)
  • 年月日: 2010-12-16
• [学会発表] In situ AFM observation on the hydrolysis process of the supported lipid bilayer catalyzed by enzyme (2010)
  • 著者名/発表者名: Henlian Wu
  • 学会等名: PacifiChem 2010
  • 発表場所: Sheraton Waikiki (Honolulu, USA)
  • 年月日: 2010-12-16
• [学会発表] Electrochemical oxidation of dimethyl ether (DME) on platinum electrodes (2010)
  • 著者名/発表者名: Shen Ye
  • 学会等名: PacifiChem 2010
  • 発表場所: Sheraton Waikiki (Honolulu, USA)
  • 年月日: 2010-12-15
• [学会発表] Pt電極表面でのギ酸酸化反応機構:吸着フォルメートの役割 (2010)
  • 著者名/発表者名: 大澤雅俊
  • 学会等名: 表面科学学術講演会
  • 発表場所: 大阪大学(大阪市)(招待講演)
  • 年月日: 2010-11-12
• [学会発表] Role of bridge-bonded formate in the electrocatalytic oxidation of formicacid on platinum (2010)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Osawa
  • 学会等名: The 61th Annual Meetingt of International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: Convention Center (Nice, France)(招待講演)
  • 年月日: 2010-10-28
• [学会発表] Kinetics of the destruction of hydration shells around tetraalkyl-ammonium ions at the electrochemical interface (2010)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: The 61th Annual Meeting of International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: Convention Center (Nice, France)
  • 年月日: 2010-10-27
• [学会発表] 硝酸イオンおよび関連物質の還元に対するスズの効果の赤外分光法による解明 (2010)
  • 著者名/発表者名: Rima Farhana Rahman
  • 学会等名: 2010年電気化学秋季大会
  • 発表場所: 神奈川工科大学(神奈川県厚木)
  • 年月日: 2010-09-03
• [学会発表] 銀電極上の吸着チオ尿素が促進する水素発生反応 (2010)
  • 著者名/発表者名: 内出太郎
  • 学会等名: 2010年電気化学秋季大会
  • 発表場所: 神奈川工科大学(神奈川県厚木)
  • 年月日: 2010-09-03
• [学会発表] Pt電極表面に吸着したCOの定電流酸化ダイナミクスの赤外分光解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: Gabor Samjeske
  • 学会等名: 2010年電気化学秋季大会
  • 発表場所: 神奈川工科大学(神奈川県厚木)
  • 年月日: 2010-09-03
• [学会発表] Role of bridge-bonded formate in formic acid electro-oxidation on Pt : Reactive intermediate or site-blocking spectator? (2010)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Osawa
  • 学会等名: 1st Ertl Symposium on Electrochemistry and Catalysis
  • 発表場所: Gwangjyu Institute of Technology (South Korea)(招待講演)
  • 年月日: 2010-04-14
• [学会発表] Mechanism of hydrogen evolution reaction catalyzed by 4,4'-bipyridine a dsorbed metal electrodes : A combined electrochemical and infrared study (2010)
  • 著者名/発表者名: Taro Uchida
  • 学会等名: 1st Ertl Symposium on Electrochemistry and Catalysis
  • 発表場所: Gwangjyu Institute of Technology (South Korea)
  • 年月日: 2010-04-11
• [学会発表] GaN光電極の光励起キャリアーダイナミクス (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、吉田真明、久保田純、堂免一成、大澤雅俊
  • 学会等名: 電気化学会第77回大会
  • 発表場所: 富山大学(富山県)
  • 年月日: 2010-03-30
• [学会発表] 固液界面におけるイオンの水和殻崩壊の時間分解赤外分光観察 (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 学会等名: 日本化学会第90春季年会
  • 発表場所: 近畿大学(大阪府)
  • 年月日: 2010-03-28
• [学会発表] タングステン酸ビスマス粒子の光触媒活性と励起電子寿命の相関 (2010)
  • 著者名/発表者名: 天野史章・山方啓・野上皓平・大澤雅俊・大谷文章
  • 学会等名: 第105回触媒討論会
  • 発表場所: 京都テルサ(京都府)
  • 年月日: 2010-03-24
• [学会発表] Electrooxidation of formic acid on Pt studied by surface-enhanced infrared absorption spectroscpoy(SEIRAS) : Is formate a reactive intermediate or site-blocking spectator? (2010)
  • 著者名/発表者名: Samjeske, Gabor, 小松圭一, 大澤雅俊
  • 学会等名: ACS 239th National Meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2010-03-22
• [学会発表] Theoretical study of surface-enhanced infrared absorption(SEIRA) (2009)
  • 著者名/発表者名: 大澤雅俊
  • 学会等名: FACSS 2009(The Federation of Analytical Chemistry and Spectroscopy Societies)
  • 発表場所: Louisville, USA
  • 年月日: 2009-10-22
• [学会発表] Structure of water at the electrified platinum-water interface studied by infrared spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: Osawa, M., Tsushima, M., Mogami, H., Samjeske, G., Yamakata, A.
  • 学会等名: The 3rd Horiba International Symposium and The 11th ISSP International Symposium(ISSP-11)on Hydrogen and Water in Condensed Matter Physics
  • 発表場所: 生命の森リゾート(千葉県)
  • 年月日: 2009-10-14
• [学会発表] Hydrogen evolution reaction catalyzed by the redox cycles of 4,4'-bipyridine adsorbed on silver electrodes (2009)
  • 著者名/発表者名: 内田太郎、山方啓、佐々木陽一、大澤雅俊
  • 学会等名: 216th Meeting of The Electrochemical Society
  • 発表場所: Vienna, Austria
  • 年月日: 2009-10-07
• [学会発表] 表面増強赤外分光で観る電極触媒反応-Pt表面におけるC1化合物の酸化反応 (2009)
  • 著者名/発表者名: 大澤雅俊
  • 学会等名: 第104回触媒討論会
  • 発表場所: 宮崎大学(宮崎県)
  • 年月日: 2009-09-29
• [学会発表] ATR-SEIRAS法によるPt/GaN水分解光触媒のフェルミレベルの観測 (2009)
  • 著者名/発表者名: 吉田真明、山方啓、久保田純、大澤雅俊、堂免一成
  • 学会等名: 第104回触媒討論会
  • 発表場所: 宮崎大学(宮崎県)
  • 年月日: 2009-09-28
• [学会発表] 赤外分光法を用いた光電極の光励起ダイナミクス (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、吉田真明、久保田純、堂免一成、大澤雅俊
  • 学会等名: 第104回触媒討論会
  • 発表場所: 宮崎大学(宮崎県)
  • 年月日: 2009-09-27
• [学会発表] 電極界面とイオンの水和構造と構造破壊 (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 学会等名: 第3回分子科学討論会2009
  • 発表場所: 名古屋大学(愛知県)
  • 年月日: 2009-09-22
• [学会発表] Pt電極表面におけるC1化合物の酸化反応機構:現状と問題点 (2009)
  • 著者名/発表者名: 大澤雅俊
  • 学会等名: 2009年電気化学会秋季大会
  • 発表場所: 東京農工大学(東京都)
  • 年月日: 2009-09-11
• [学会発表] イオンと電極界面の水和構造の変化 (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 学会等名: 2009年電気化学会秋季大会
  • 発表場所: 東京農工大学(東京都)
  • 年月日: 2009-09-11
• [学会発表] 電極表面に吸着した4,4'ビピリジンが触媒する水素発生促進反応機構 (2009)
  • 著者名/発表者名: 内田太郎、山方啓、佐々木陽一、大澤雅俊
  • 学会等名: 2009年電気化学会秋季大会
  • 発表場所: 東京農工大学(東京都)
  • 年月日: 2009-09-11
• [学会発表] 電位による亜硝酸イオンの吸着状態の変化 (2009)
  • 著者名/発表者名: Rima Falhana Rafman, 中田耕, 嶋津克明, 大澤雅俊
  • 学会等名: 2009年電気化学会秋季大会
  • 発表場所: 東京農工大学(東京都)
  • 年月日: 2009-09-11
• [学会発表] Pt電極表面におけるCO酸化反応ダイナミクス:時間分解赤外分光解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: Samjeske, Gabor, 小松圭一, 大澤雅俊
  • 学会等名: 2009年電気化学会秋季大会
  • 発表場所: 東京農工大学(東京都)
  • 年月日: 2009-09-11
• [学会発表] 表面増強赤外分光 (2009)
  • 著者名/発表者名: 大澤雅俊
  • 学会等名: 日本分光学会夏季セミナー
  • 発表場所: 幕張メッセ(千葉県)
  • 年月日: 2009-09-01
• [学会発表] Infrared study of hydration shells around tetra-alkylammonium cations at the electrochemical interface (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 学会等名: International Symposium on Nanoelectrochemistry and Spectroelectrochemistry
  • 発表場所: アモイ大学(アモイ、中国)
  • 年月日: 2009-08-25
• [学会発表] Dynamics of CO electro-oxidation on a Pt electrode : A time-resolved infrared study (2009)
  • 著者名/発表者名: Samjeske, Gabor, 小松圭一, 大澤雅俊
  • 学会等名: 60th Annual Meeting of International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: 北京大学(北京、中国)
  • 年月日: 2009-08-18
• [備考]
  • URL: http://www.cat.hokudai.ac.jp/osawa/
• [備考]
  • URL: http://www.cat.hokudai.ac.jp/osawa/