| 研究課題/領域番号 |
16K04968
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| 研究機関 | 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科 |
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研究代表者 |
水沢 多鶴子 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科, 中性子科学センター, 副主任研究員 (90624536)
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| 研究分担者 |
山崎 大 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究副主幹 (80391259)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 固液界面 / 中性子反射率 / イメージング |
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| 研究実績の概要 |
本研究では白色パルス中性子を用いた中性子反射率イメージング法により、マイクロビームを用いることなく、従来よりも高い分解能を有する反射率解析を可能にする。この方法を応用し、金電極と電解質水溶液界面の電気二重層の面内の不均一な構造を解析する。
中性子反射率でイメージングを行うために、Qzを固定し、通常の30mmの中性子ビームを用いて試料の不均一さの情報を反映した反射率の1次元プロファイルを、試料内で回転させた様々な試料位置で測定する。それら投影データは試料表面近傍の面内の不均一な構造分布をフーリエ変換したものになっている。これをフーリエ逆変換することで不均一な構造分布を画像として再構成できる。Qzを任意に選択することで、膜厚、表面・界面の粗さの面内の不均一な分布がどんなものであるかを評価する。この測定法を電極/電解質界面の構造解析に適用し、電極表面形状が与える、電解質分子およびイオンの吸着構造の形成および、電極反応への影響を明らかにする本研究では、中性子反射率イメージングで、電極／電解質界面における溶媒水分子の吸着構造を解析する。試料は金薄膜をモデル電極として用いる。電解質溶液は希硫酸水溶液を用いる。この系は調製法が確立されているので、新規な計測方法である反射率イメージングの有効性を確認しながら解析を行うことができる。平成２８年度は反射率の投影データから薄膜の膜厚、表面・界面の粗さを抽出し、画像化する方法を確立する。その後、電場を印加しない条件で、電極／電解質溶液界面の反射率イメージングを行い、分子・イオンの吸着構造の不均一な分布を調べる。平成２９年度は、電場を印加して反射率イメージングを金電極／電解質界面の不均一な構造解析に応用する。最終年度は、電場を印加した状態で電極／電解質界面の動的な反射率イメージングを検討する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
試料とする金電極の作製は、物質・材料研究機構のスパッタ装置により行っている。シリコン基板または合成石英基板に製膜し、膜厚やラフネスをX線反射率により評価したところ、膜厚は20～50nmで、数nmの低密度層がある。希硫酸に接触させると剥離を生じる場合が多いため、製膜条件（主に基板の洗浄方法）の最適化を継続している。
電源装置としてGamry interface1000Tを2016年10月に導入した。50mM希硫酸中の金電極薄膜の電流－電圧特性を測定して電極特性の評価を行っている。発泡が生じない条件（－0.3V~＋0.7V vs Ag/AgCl）では、+0.3V付近に電流ピークがあり、再現性を確認中である。中性子施設での実験のためには過電圧・過電流だけでなく、温度上昇やガス発生についてもインターロックシステムが必要と言われているが、インターロックの仕様を決めるためには問題となるガス発生量は何mlであるか等の定量的な基準が必要である。担当者と検討を進めている。
中性子反射率測定用に固液界面観察用セルを自作した。ビームライン担当者の意見を参考に、PTFEを加工し、BAS製標準電極とPt対極を取り付けた。漏水テストは合格している。電源装置接続方法は改良中である。また、中性子反射率計への取り付け、粗調整のテストを継続している。
以上のような準備を進めながら中性子実験の課題申請を行ったが、平成28年度は採択されなかった。再申請を行うとともに、オフラインでの検討を進める。
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| 今後の研究の推進方策 |
中性子反射率実験の他に、電気化学測定で基礎的な検討を進める。サイクリックボルタもメトリだけでなく、交流インピーダンス測定を行い、界面全体の平均的な電気二重層の電気化学特性を調べる。
反射率イメージングでは、試料面内回転を行いながら反射率測定を行うため、全反射領域のみを観察対象とする場合でも通常の反射率測定の10倍程度の測定時間がかかる。長時間にわたって試料電極の電流-電圧特性が変化しないことを確認する。また、外部回路接続のケーブル類が実験の際ゴニオメータの試料回転の妨げとならないことを確認しておく。ビームタイム配分があり次第イメージング実験を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
試料作製後の経時変化の影響を少なくするため、中性子実験の直前に試料を新たに準備する計画をしていた。今年度は実験課題が採択されなかったため、利用実験直前に新規に作製予定であった試料の基板材料や資材の調達を行わなかった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
中性子実験課題が採択されれば、計画していた試料作製を行う。
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