| 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)及び中性子科学センター(研究開発 |
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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)及び中性子科学センター(研究開発, 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 / 反射率 / 中性子 / イメージング |
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| 研究実績の概要 |
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、従来よりも高い面内分解能を有する反射率解析を可能にする。本研究では、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には、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であるから、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できる。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。
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
2017年度は、前年に導入した電気化学測定装置のアップグレードを行い、測定可能な電流レンジを±100mAから±１Aへ拡張、また、測定可能な交流周波数を100mHz～10kHzを10μHz～１MHzに拡張した。これにより電気二重層の中性子反射率イメージングを行う際の条件を精密に決定することが可能になった。
2017年4月に反射率イメージングの実験をJ-PARC MLF BL17において実施した。試料セルと試料面内回転ステージを装備したユニットをビームラインのゴニオメーターに搭載し、検出器には、BL17で調整が完了したばかりの2次元検出器MWPCを使用した。ビームを基板側面から入射し、電解質溶液の注入前後で反射率を測定した。面内回転0度と90度で反射プロファイルを取得し、シミュレーション結果を比較することができた。ただし、本年計画していた電圧印加条件でのプロファイル測定にはいたらなった。理由は下記の2点である。
（１）電圧印加に用いる電気化学測定装置のインターロックは過電流・過電圧がかかると
電圧・電流がかからなくなり測定が止まる仕様であったが、安全管理担当者からは電源遮断になることに求められた。
（２）測定条件を最適化できなかった。固液界面に吸着層が形成されることにより特有の反射率プロファイルが観察されるのは散乱ベクトルが1.5A^-1の近傍であった。電圧印加による反射率プロファイルの変化を調べるには、全反射領域（q<0.001A^-1）から1.5A^-1までを一度に測定するべきであるが、BL17で測定可能な波長領域は1.0～8.8Aに設定されており、必要なq領域を測定できなかった。
また、1つの反射投影プロファイルを測定するのに2時間以上かｋることから、今後予定している動的な測定は困難であると予想された。動的観察では、印加電圧を段階的に変化させながら測定を行うこととする。
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| 今後の研究の推進方策 |
2017年度の実験結果から、2018年度は下記の対策を行い、電圧印加条件での反射率イメージング実験を行う。
（１）電圧印加時のインターロックについてはメーカーに相談し、安全を確保する。
（２）より汎用的な測定が行えるBL10へ本研究課題の実験を申請する。0.5～10Aの広い波長領域を使い、一度に広いq領域の測定を行う
（３）2017年度の実験では、加速器の出力は200kW程度であった。2018年度は中性子ターゲットが新しいものに交換されてビーム出力が向上するため測定時間の短縮が見込まれる。また、効率の良い検出器の利用を検討する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
昨年購入した電気化学測定装置Gamry Interface1000について、測定できる電流、交流周波数の範囲を広げるアップグレードを行った。このアップグレード費用が当初の見積よりも低額であったため、差額が生じた。
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