| 研究課題/領域番号 |
17K05843
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| 研究機関 | 山口大学 |
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研究代表者 |
吉田 真明 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授(テニュアトラック) (00582206)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 水分解触媒 / オペランド観測 / X線吸収分光 / 赤外吸収分光 / 電気化学 / 軟X線 / テンダーX線 / 放射光 |
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| 研究実績の概要 |
近年、再生可能エネルギーを利用した水電解による水素製造に向けて、水を効率的に酸化する酸素生成触媒の開発が強く望まれている。これまで、マンガン、コバルト、ニッケルといった遷移金属の酸化物が小さな過電圧で効率的に水を酸化できることが報告されており、遷移金属酸化物のナノクラスターを集積化することが一つの鍵になるものと考えられている。その中で申請者は、水分解触媒が作動している状態で測定する「オペランド」X線吸収分光システムを独自に開発し、有機分子がニッケル酸化物ナノクラスターを集積化して高い酸素生成活性を発現することを見出してきた。そこで本研究では、様々なオペランド分光測定システムを新たに開発し、触媒の詳細な分析を行っていくことで、精密に制御された三次元的に機能する水分解触媒の開発を目指している。
初年度は、触媒の精密な分析を行うべく、オペランドX線吸収分光測定装置の高度化を行うとともに、オペランド赤外吸収分光測定装置を立ち上げを行った。X線の中でもエネルギーの低い軟X線を用いたオペランド測定システムを開発し、水分解触媒内の酸素の化学状態を詳細に解析できるS/Nの良いスペクトルを得ることに成功した。また、電極触媒が機能している状態で観測できる全反射型の赤外吸収分光測定装置を開発し、触媒内に吸着した有機分子を直接捉えることができるようになった。そのため、オペランド条件下で各元素や置換基を個別に捉えることが可能となっており、開発してきた装置の有用性を活かせる段階まで来ている。一方で、より詳細な金属-有機分子の結合状態を観測することができればより有利に触媒開発を行えるため、"表面敏感"かつ"配向性"がわかるように測定装置の改良を行っていくことに注力している。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
前述の通り、オペランドX線吸収分光装置の高度化とオペランド赤外吸収分光装置の開発を行っており、進捗状況としてはおおむね順調に進展している。前者としては、X線の中でも低いエネルギーである軟X線を用いた測定システムの高度化を高エネルギー加速器研究機構のフォトンファクトリーBL16で行っており、触媒膜内の軽元素の詳細な分析が可能となっている。また、赤外吸収分光測定装置の試料室内に金ミラーを配置し、全反射型の赤外吸収分光測定システムの開発を行うことができた。これらの測定装置とこれまで開発した測定装置を駆使し、オペランド条件下での硬X線・テンダーX線・軟X線を用いたX線吸収分光、赤外吸収分光、紫外可視吸収分光が可能となっている。その結果、電極電位の印加によってニッケル触媒内のニッケルが高酸化数に価数変化していることや、触媒内に有機分子が吸着した状態で水分解触媒反応が進行していることを明らかにすることができた。
しかしながら、課題もある。これらの手法を駆使して触媒膜内の各元素・置換基の化学状態・構造情報が得られるようになってきてはいるが、触媒の精密合成のためには触媒膜内の各元素・置換基をより詳細に捉えられるような測定装置の開発の必要性を感じている。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、三次元的に機能する高活性な触媒を開発するべく、オペランド分光測定の高度化と開発を進めていく。これまでにある程度の測定装置の開発は行えているが、触媒の精密合成のために"表面敏感"かつ"配向性"を捉えられるような測定装置の開発を目指していく。そのためには各種分光測定装置に偏光を入射できるような機能を取り付けたり、サンプルから出てくる蛍光X線や反射赤外線の検出角度を変えるなどし、より表面敏感な測定ができないか検討を行っていく。また、最近、触媒膜には有機分子だけでなく、リン酸イオン・ホウ酸イオン・炭酸イオンといったアニオン種やナトリウムイオン・カリウムイオン・セシウムイオンといったカチオン種も取り込まれた上で触媒が機能しているデータが得られつつあり、触媒膜に関する情報が不足している状態にある。そのため、マンガン・コバルト・ニッケルといった遷移金属の酸化物に対して、様々なアニオン・カチオンを含んだ触媒膜を作製し、各分析装置を用いたオペランド観測で詳細に触媒を調べ、基礎的な知見を得ることを考えている。これらの一連の実験を通して触媒膜内の最適な空間分布を見出し、最終年度での高活性な触媒開発へつなげていきたい。
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