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2019 年度 実績報告書

シンクロトロン放射光を用いるドープ氷中電解質のキャラクタリゼーション

研究課題

研究課題/領域番号 16K05809
研究機関東京工業大学

研究代表者

原田 誠  東京工業大学, 理学院, 助教 (60313326)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワードドープ氷 / 単結晶氷 / XAFS / XRF
研究実績の概要

NaClやMn、Co、Cu、Znの硝酸塩の含む水溶液を凍結したドープ氷を作成した。このドープ氷中では凍結濃縮により、純粋な氷相とその氷相間のグレインバウンダリーに濃縮された水溶液相を生じる。本研究ではまず、ドープ氷中でこの凍結濃縮液相がどのように分布しているかをXRF(蛍光X線測定)によって元素ごとにマッピングした。主な溶質であるClは水溶液相の分布に対応しているので、Clと他の共存金属元素のマッピングを比較するとかなりよい一致が見られた。金属イオンはドープ氷中でほとんど濃縮液相に存在していることが明らかとなった。
ドープ氷に含まれる金属塩はグレインバウンダリーの濃縮液相に存在していることがわかったが、ごく一部は液相ではなく、氷相に含まれる場合がある。氷相は金属塩を濃縮液相に押し出すことで溶質が残った水溶液相に排除されるが、ごく少量ながら氷相に取り込まれる。この場合、例えばKCl水溶液を基にしたドープ氷ではKイオンよりもClイオンがより優先的に氷相に取り込まれることで、濃縮液相のpHが高くなることがわかっている。よって、氷相へのClイオンやKイオンの取り込みを検証するため、KCl水溶液から単結晶氷を作成し、この単結晶氷中に含まれるKやClについて蛍光XAFS測定を行った。このKやClを微量含む単結晶氷はドープ氷での氷相と同等であると見なした。測定されたXAFSスペクトルを基に分子軌道計算によって解析したところ、Clは氷ネットワーク中のOHイオンと置き換わっている可能性が高いことがわかってきた。濃縮液相にあるClイオンとOHイオンが交換されたと考えると、濃縮液相ではOHイオンの増加すなわちpHが高くなるという結果と一致する。今後、分子軌道計算と分子動力学計算から単結晶氷中のClイオンやKイオンをシミュレートし、実測値であるXAFSスペクトルとより詳細な検討を行う予定である。

  • 研究成果

    (2件)

すべて 2019

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (1件)

  • [雑誌論文] Quasichemical Approach to pH Shifts in Frozen Phosphate Buffers2019

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Okada Yusuke Okada Department of Chemistry, Tokyo Institute of Technology, Meguro-ku, Tokyo 152-8551, Japan More by Yusuke Okada, Makoto Uyama, Makoto Harada, and Tetsuo Okada
    • 雑誌名

      Ind. Eng. Chem. Res.

      巻: 58 ページ: 18422-18431

    • DOI

      10.1021/acs.iecr.9b03755

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ドープ氷による凍結濃縮2019

    • 著者名/発表者名
      原田誠
    • 学会等名
      日本分析化学会第68年会

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公開日: 2021-01-27  

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