マイクロ電解セルの創出による電解反応機構解明とデバイス応用

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K13717
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 藤田 淳一 筑波大学, 数理物質系, 教授 (10361320)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 電解液 / 局在場電荷分布 / 可視化 / 酸化還元反応 / 触媒 / 担持体 / 透過走査電子顕微鏡 / 電子線偏向

研究実績の概要

本研究では、透過型電子顕微鏡視野下で機能する極薄のマイクロ電解セルを開発し、既開発の局在場可視化技術と組み合わせて、電解液中での炭素系電極の構造変化や局在電荷分布をナノスケールで可視化解析する技術の創出を目的とした。
本萌芽研究では、200keV電子顕微鏡を走査型に改造し、透過力の強い200keV電子線によるSiNメンブレン電解セルの透過と、HARDF検出器による局在場検出技術への方針変更を行った。内径が3mmのHARDF検出器中心に対して、電子ビーム軸に約1.3mmオフセットを設定した。投影レンズ系を調整し、カメラ長を2.23ｍに調整すると、電子線は0.3mRadの偏向角を与え、これは50%のHARDF検出強度に相当する。この電子光学系で局在場による散乱電子情報を画像化できることを実証した。厚さ100nmで0.5mm角のウィンドウを持つSiNメンブレンにPt/Tiのマイクロ金属電極を加工し、これを液中局在場計測の電解計測の基部試料とした。ここにイオン液体を塗布し、もう一枚のSiNメンブレンで挟み込み電解セル構造を形成した。AgClを溶解したクロライド系イミダゾリウム塩電解液に対して、電位を与えると陽極電極にはAgデンドライトが樹状成長する。このデンドライト成長過程で樹状成長した銀針状結晶の先端に明確な局在場形成を検出する事ができた。樹状結晶に対して-10Vの電圧を印加すると、STEM画像中には先鋭部に明領域が形成された。針状結晶先端から0.4μmの同心円領域には90V/umの局在場が形成され、結晶先端には約10000個の局在電荷が形成されたことに対応する。また、極性分子電解液による局在場増強も観測された。本研究を通して、200keVの透過走査型電子顕微鏡を用い、SiNメンブレンで挟み込んだ極薄電解液セル中での局在場可視化が可能であることが実証された。

研究成果

• [雑誌論文] High-sensitivity visualization of localized electric fields using low-energy electron beam deflection (2018)
  • 著者名/発表者名: Samuel Jeong, Yoshikazu Ito, Gary Edwards, Jun-ichi Fujita
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 印刷中 ページ: 065201
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.065201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooperation between holey graphene and NiMo alloy for hydrogen evolution in acidic electrolyte (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Ito,Tatsuhiko Ohta, Daisuke Hojo, Mitsuru Wakisaka, Yuki Nagata, Linghan Chen, Kailong Hu, Masahiko Izumi, Jun-ichi Fujita, Tadafumi Adschiri
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 8 ページ: 3579-3586
  • DOI: 10.1021/acscatal.7b04091
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bottom-up Synthesis of Porous NiMo Alloy for Hydrogen Evolution Reaction (2018)
  • 著者名/発表者名: Hu Kailong、Jeong Samuel、Wakisaka Mitsuru、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • 雑誌名: Metals 巻: 8 ページ: 83～83
  • DOI: 10.3390/met8020083
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 低加速電子線SEM/STEMを用いた局在場可視化技術 (2017)
  • 著者名/発表者名: FUJITA Jun-ichi
  • 雑誌名: The Journal of the Vacuum Society of Japan 巻: 60 ページ: 397～405
  • DOI: 10.3131/jvsj2.60.397
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Near room temperature chemical vapor deposition of graphene with diluted methane and molten gallium catalyst (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujita Jun-ichi、Hiyama Takaki、Hirukawa Ayaka、Kondo Takahiro、Nakamura Junji、Ito Shin-ichi、Araki Ryosuke、Ito Yoshikazu、Takeguchi Masaki、Pai Woei Wu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 12371
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12380-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] オフセットHAADF-STEMによる局在電場可視化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 菊池優、鄭サムエル、伊藤良一、藤田淳一
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 低加速電子線偏向を用いた局在電界の可視化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鄭サムエル、菊池優、伊藤良一、藤田淳一
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] High sensitive visualization of localized electric field using low energy electron beam deflection (2017)
  • 著者名/発表者名: Samuel Jeong, Gary Edwards, Jun-ichi Fujita
  • 学会等名: International Conference on Electron, Ion, and Photon Beam Technology and Nanofabrication (EIPBN2017)
  • 国際学会
• [備考] Welcom to Fujita Lab.
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~nanofab/index.html