分子系及び半導体系光触媒の動的機能に関する実験・理論解析

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製
• 研究課題/領域番号: 17H06438
• 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)
• 研究分担者: 山下 晃一 京都大学, 実験と理論計算科学のインタープレイによる触媒・電池の元素戦略研究拠点ユニット, 特任教授 (40175659)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• キーワード: XFEL / 時間分解XAFS / 光触媒反応 / 動的構造解析 / 超高速X線分光

研究実績の概要

領域内で新規合成された不均一系光触媒や、電極触媒の時間分解XAFS測定を実施し、触媒反応下における構造・電子状態の変化について可視化することに成功した。またドイツ、韓国の共同研究者と共同でリモート測定を実施し、領域内で合成された光触媒材料の光励起に起因した電子状態変化をフェムト秒の時間スケールで可視化することに成功した。特に本年度は、XFEL で測定可能な時間分解能を約 500 フェムト秒から約 100 フェムト秒へと改善した。原子レベルの空間精度で分子 の構造を可視化できる時間分解 X 線溶液散乱測定と、アライバルタイミングモニターを同時に利用することにより、3 つの分子 2 つの分子間結合が関係する複雑な化学反応であっても、原子の速い動きにより分子結合が形成され、分子の形が変わっていく様子を原子の位置情報として直接観測することができた。これまで、化学反応中における分子構造の変化は、計算によって予想されてきた。また、分子が振動することで、化学反応が進行するというコンセプトも提案されていたが、 実際にそれを原子の位置情報として直接観測した例は無かった。しかし、本研究では、光により化学反応が始まり原子が動き出す瞬間から、分子の構造を正確に追跡することが可能となったため、原子同士が近づいたり離れたりする振動を利用することで、原子の間に次々と結合が生まれ、分子の形が複雑に変化していく様子が直接観測された。本手法を様々な光反応に適用することで、反応を進める原子の動き、反応中の構造変化、化 学反応の速度、たどり着く安定な分子の構造、その化学反応のメカニズム等を直接解明する ことができる。更には、光によって一斉に起きる原子の振動の様子を正確に知ることがで き、光化学反応のメカニズムを視覚的に解明することが可能となった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

領域内における連携に関して、超高速光学測定との相補的な比較研究を橋本（関西学院大）、恩田（九州大学）、山中（豊田中央研究所）等と進め、石谷（東工大）、工藤（東理大）、井上（首都大）、八木（新潟大）、阿部（京大）、片岡（島根大）等が開発する人工光合成材料や、沈（岡山大）・神谷（大阪市大）が研究する生体試料について測定を順次行なっている。リモートによる、領域会議での打ち合わせや、共同研究グループとの個別な打合せにより、活発な領域内研究が実施されている。

今後の研究の推進方策

今後も精力的に、領域会議、総括班会議、領域に関連したシンポジウム等を活用して、領域内共同研究を実施していく。また、海外との研究協力で得られた成果を、国際共同研究として順次論文化していく予定である。昨年度は公募班の研究グループとの共同研究を新たに4件スタートさせ、それらは海外研究グループとの共同研究ともなっており、そのうち2件は現在論文投稿中である。

研究成果

• [国際共同研究] KAIST/Pusan National University/YONSEI University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: KAIST/Pusan National University/YONSEI University
• [国際共同研究] European XFEL GmbH/University of Hamburg/Deutsches Elektronen- Synchrotron(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: European XFEL GmbH/University of Hamburg/Deutsches Elektronen- Synchrotron
• [国際共同研究] ELI-ALPS(ハンガリー)
  • 国名: ハンガリー
  • 外国機関名: ELI-ALPS
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institut(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: Paul Scherrer Institut
• [雑誌論文] Diffracted X-ray blinking measurements of interleukin 15 receptors in the inner/outer membrane of living NK cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Chang J., Baek Y., Lee I., Sekiguchi H., Ichiyanagi K., Mio K., Nozawa S., Fukaya R., Adachi S.-I., Kuramochi M., Sasaki Y.C.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 556 ページ: 53
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.03.144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast structural dynamics of in-cage isomerization of diiodomethane in solution (2021)
  • 著者名/発表者名: Kim Hanui、Kim Jong Goo、Kim Tae Wu、Lee Sang Jin、Nozawa Shunsuke、Adachi Shin-ichi、Yoon Kihwan、Kim Joonghan、Ihee Hyotcherl
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 ページ: 2114～2120
  • DOI: 10.1039/D0SC05108J
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] New Visible-Light-Driven H2- and O2-Evolving Photocatalysts Developed by Ag(I) and Cu(I) Ion Exchange of Various Layered and Tunneling Metal Oxides Using Molten Salts Treatments (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Kenta、Iwashina Katsuya、Iwase Akihide、Nozawa Shunsuke、Adachi Shin-ichi、Kudo Akihiko
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 32 ページ: 10524～10537
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c03461
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tracking the Local Structure Change during the Photoabsorption Processes of Photocatalysts by the Ultrafast Pump-Probe XAFS Method (2020)
  • 著者名/発表者名: Uemura Yohei、Yokoyama Toshihiko、Katayama Tetsuo、Nozawa Shunsuke、Asakura Kiyotaka
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 10 ページ: 7818～7818
  • DOI: 10.3390/app10217818
  • 査読あり
• [雑誌論文] In Situ Observation of the Phase Transition Behavior of Shocked Baddeleyite (2020)
  • 著者名/発表者名: Takagi Sota、Kyono Atsushi、Nozawa Shunsuke、Kawai Nobuaki、Inukai Koji、Fukaya Ryo、Funamori Nobumasa、Adachi Shin‐ichi、Ichiyanagi Kouhei
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 47 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1029/2020GL089592
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray-based living-cell motion analysis of individual serotonin receptors (2020)
  • 著者名/発表者名: Mio Kazuhiro、Ishihara Masaki、Fujimura Shoko、Sasaki Daisuke、Nozawa Shunsuke、Ichiyanagi Kohei、Fukaya Ryo、Adachi Shin-ichi、Kuramochi Masahiro、Sekiguchi Hiroshi、Kubo Tai、Sasaki Yuji C.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 529 ページ: 306～313
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.05.200
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge Trapping Process in Photoexcited Nitrogen-Doped Titanium Oxides (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Kosuke、Yamanaka Ken-ichi、Nozawa Shunsuke、Fukuzawa Hironobu、Katayama Tetsuo、Morikawa Takeshi、Nonaka Takamasa、Dohmae Kazuhiko、Ueda Kiyoshi、Yabashi Makina、Asahi Ryoji
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 59 ページ: 10439～10449
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c00696
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mapping the emergence of molecular vibrations mediating bond formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim Jong Goo、Nozawa Shunsuke、et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 582 ページ: 520～524
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2417-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cobalt Aluminate Spinel as a Cocatalyst for Photocatalytic Oxidation of Water: Significant Hole-Trapping Effect (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanazawa Tomoki、Kato Kosaku、Yamaguchi Ryusei、Uchiyama Tomoki、Lu Daling、Nozawa Shunsuke、Yamakata Akira、Uchimoto Yoshiharu、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 10 ページ: 4960～4966
  • DOI: 10.1021/acscatal.0c00944
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of shock-dynamics study with synchrotron-based time-resolved X-ray diffraction using an Nd:glass laser system (2020)
  • 著者名/発表者名: Takagi Sota、Ichiyanagi Kouhei、Kyono Atsushi、Nozawa Shunsuke、Kawai Nobuaki、Fukaya Ryo、Funamori Nobumasa、Adachi Shin-ichi
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 27 ページ: 371～377
  • DOI: 10.1107/S1600577519016084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved Electrochemical Water Oxidation over Chromium-Substituted Cobalt Aluminate Spinels (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanazawa Tomoki、Eguchi Miharu、Nozawa Shunsuke、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 93 ページ: 13～19
  • DOI: 10.1246/bcsj.20190272
  • 査読あり
• [学会発表] XFEL を用いたフェムト秒 X 線溶液散乱による光化学反応中の反応経路の可視化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野澤俊介
  • 学会等名: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Short- and long-term requirements from users (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Nozawa
  • 学会等名: SACLA Users’ Meeting 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ZnF2 を用いた低温窒化反応によるGaN-ZnO固溶体類似化合物の合成とその光触媒活性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三好亮暢, 金澤知器, 野澤俊介, 前田和彦
  • 学会等名: 第127回触媒討論会
• [学会発表] 共鳴X線ラマン散乱による遷移金属酸化物の非占有電子構造の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 手塚泰久,高橋瑞樹,浅利真人,加藤梨紗,野澤俊介,中島伸夫,岩住俊明
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 窒素/フッ素共ドープルチル型TiO2を用いた可視光Zスキーム水分解系の構築 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三好亮暢,Junie Jhon M. Vequizo,西岡駿太.山下俊介,野澤俊介,桑原彰秀,山方啓,木本浩司,前田和彦
  • 学会等名: 日本化学会第101回春季大会
• [学会発表] 共鳴 X 線ラマン散乱による Ti 酸化物の電子構造の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高橋瑞樹, 浅利真人, 加藤梨沙, 野澤俊介, 中島伸夫, 岩住俊明, 手塚泰久
  • 学会等名: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] メソポーラス材料に担持した発光性白金(II)錯体の蒸気応答 (2021)
  • 著者名/発表者名: 恒成高弘, 吉田将己, 佐藤文菜, 野澤俊介, 小林厚志, 加藤昌子
  • 学会等名: 錯体化学会 第70回討論会
• [学会発表] 配位子にアントラセン部位を有する金(I)錯体結晶のOFF-ON-OFF型発光応答フォトクロミズム (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Suenobu, M. Suzuki, K. Nakayama, H. Sei, N. Tohnai, K. Ichiyanagi, A S. Tomita, S. Nozawa, T tachikawa, T. Iwasa, H. Kasai, E. Nihibori, K. Kto, T. Seki, H. Ito
  • 学会等名: 2020年web光化学討論会
• [学会発表] 貴金属およびCr 種の共担持によるオキシハライド光触媒の水素生成活性向上 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小谷哲, 小川幹太, 鈴木肇,冨田修,野澤俊介,山方啓,坂本良太,阿部竜
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [学会発表] CoAl2O4ナノ粒子を助触媒とした光触媒的な水の酸化反応 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金澤知器,内山智貴,内本喜晴,山方啓,野澤俊介,前田和彦
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [学会発表] In situ observation of phase transition behavior of shocked baddeleyite (2021)
  • 著者名/発表者名: 髙木壮大,興野純,野澤俊介,川合伸明,犬飼浩之,深谷亮,船守展正,足立伸一,一柳光平
  • 学会等名: JpgU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [備考] [プレスリリース]原子が振動しながら共有結合が形成されていく様子を直接観測
  • URL: https://www.kek.jp/ja/newsroom/2020/06/25/1005/