電気化学的に制御された固液界面の水和構造の不均一性とナノ気泡の発生

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01806
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 中林 誠一郎 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (70180346)
• 研究分担者: 小林 成貴 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (40595998)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ナノ気泡 / 電気化学的酸素発生反応 / 電気化学的水素発生反応 / 酸化亜鉛N型半導体電極 / 表面準位 / ニッケル層状複水和物電極触媒

研究実績の概要

硫酸酸性中の白金電極上での水素発生反応については、水素ナノ気泡が電極上に形成され、その形成の頻度は、表面粗さに依存することが判った。本年度は、酸性およびアルカリ性水溶液中に付けたZnO(0001)面での水素ナノ気泡と水和・表面構造について実験をおこなった。ZnO表面の正に帯電した表面準位上で、ナノ気泡が観察され、同時に溶媒和水のZ方向の分布を観測した。ただし、表面の非平坦性のため、ナノ気泡の３次元形状をAFMで測定することはできなかった。加えて、ニッケル複水和物を電極触媒としたアルカリ水溶液中の酸素発生反応において、電極触媒外周の３重線が酸素発生の活性点となっていることを明らかにした。銅を電極に用いると、酸素発生の過電圧を著しく減少させることが可能であり、ここに300mT程度の磁場を加えると、磁場の方向に寄らず、酸素発生電流が増加することを見いだした。ただし、この酸素発生におけるナノ気泡は検出することができなかった。また、酸素発生反応におけるナノ気泡の効果を明らかにすることはできなかった。白金上の水素ナノ気泡は、電極の自然電位を2~300mV変化させることが明らかとなったが、酸素発生に於いてはナノ気泡が反応に影響を及ぼすことは少ないと結論される。これは、酸素発生反応が、４プロトン４電子移動を伴うより複雑な反応経路を持ち、ナノ気泡が影響する2~300meVのエネルギー寄与に比べて大きな活性化障壁を持つことに原因があると考えられた。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Copper-based electrocatalyst derived from a copper chelate polymer for oxygen reduction in alkaline solutions (2022)
  • 著者名/発表者名: R.P.Purtra, Y.Samejima, S.Nakabayashi, H.Hoshino, I.I.Reznicka
  • 雑誌名: Catalysis today 巻: 338 ページ: 360-364
  • DOI: 10.1016/j.cattod.2020.06.005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Growth Enhancement of Organic Nonlinear Optical Crystals by Femtosecond Laser Ablation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Mayu Yamaji, Jun Ikeyama, Makoto Nakajima, Hideaki Kitahara, Syouei Tetsukawa, Naritaka Kobayashi, Mihoko Maruyama, Teruki Sugiyama, Shuji Okada, Yusuke Mori, Seiichiro Nakabayashi, Masashi Yoshimura and Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 125 ページ: 8391-8397
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c10636
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polar Zinc Oxide Surface in Electrolyte Solutions; An Atomic View of Reconstruction, Hydration and Surface states (2021)
  • 著者名/発表者名: Yudai Samejima, Naritaka Kobayashi, and Seiichiro Nakabayashi,
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 23 ページ: 18349-18358
  • DOI: 10.1039/D1CP02371C
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simultaneous atomic-resolution flexural and torsional imaging in liquid by frequency modulation atomic force microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Umemoto Megumi、Kawamura Ryuzo、Yoshikawa Hiroshi Y.、Nakabayashi Seiichiro、Kobayashi Naritaka
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: SIII01～SIII01
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab7479
  • 査読あり