超高速電位ジャンプ法を用いた電子移動・電極反応ダイナミクスの赤外分光解析

2009 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19685006
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 分析化学
• 研究機関: 豊田工業大学
• 研究代表者: 山方 啓 豊田工業大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (60321915)
• 研究協力者: 大澤 雅俊 北海道大学, 触媒化学研究センター, 教授 (00108466)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2009
• キーワード: 時間分解赤外分光 / 電極反応ダイナミクス / 電子移動反応 / 電気二重層 / 界面水分子の配向緩和 / 水和殻崩壊過程 / 親水・疎水相互作用

研究概要

電極表面反応を理解するためには、電位変化に伴う表面吸着分子やその近傍にある水分子の構造変化を理解する必要がある。我々は、電極界面にレーザーパルスを照射すると電気二重層の強い電場に束縛された水分子の配向が乱されることで電極電位が高速に変化することを見いだした。そして、その電位変化を詳細に調べることで吸着種や水分子の構造変化を詳しく調べられることを明らかにした。表面の水分子の配向は疎水界面でより変化しやすいこと、そして、その構造は疎水性物質より親水性物質が接近したときにより破壊されやすいこと、などの固液界面現象を理解する上で重要な基本的現象を明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] 半導体量子構造と光エネルギー変換の最前線 (2011)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 雑誌名: 触媒 53 ページ: 201
• [雑誌論文] 表面増強赤外分光でみた電極-電解液界面の水の構造と挙動 (2011)
  • 著者名/発表者名: 大澤雅俊・山方啓
  • 雑誌名: 分析化学 53 ページ: 1-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Destruction of the Water Layer on a Hydrophobic Surface Induced by the Forced Approach of Hydrophilic and Hydrophobic Cations (2010)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata, Masatoshi Osawa
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.Lett.Nature ChemistryのResearch Highlights(May 7, 2010)で紹介される. 1 ページ: 1487-1491
  • URL: http://www.nature.com/nchem/reshigh/2010/0510/full/nchem.692.html
  • 査読あり
• [雑誌論文] 水分解光触媒の光励起キャリアーダイナミクス.キャリアダイナミクスと定常反応活性との比較- (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 雑誌名: 分光研究 59 ページ: 12-19
  • 査読あり
• [雑誌論文] タングステン酸ビスマス粒子の光触媒活性と励起電子寿命の相関 (2010)
  • 著者名/発表者名: 天野史章・山方啓・野上皓平・大澤雅俊・大谷文章
  • 雑誌名: 触媒 52 ページ: 128-130
• [雑誌論文] ビピリジン分子による電解水素発生の促進-有機分子による反応活性サイトの創成 (2009)
  • 著者名/発表者名: 内田太郎・山方啓・佐々木陽一・大澤雅俊
  • 雑誌名: 触媒 51 ページ: 129-131
• [雑誌論文] ATR-SEIRAS Investigation of the Fermi Level of Pt Cocatalyst on a GaN Photocatalyst for Hydrogen Evolution under Irradiation (2009)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Yoshida, Akira Yamakata, Kazuhiro Takanabe, Jun Kubota, Masatoshi Osawa, Kazunari Domen
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 131 ページ: 13218-13219
  • 査読あり
• [雑誌論文] Destruction of the hydration shell around tetraalkylammonium ions at the electrochemical interface (2009)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata, Masatoshi Osawa
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 131 ページ: 6892-6893
  • 査読あり
• [雑誌論文] 金属表面の光照射プロセス-固気界面から固液界面へ- (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓・大澤雅俊
  • 雑誌名: 光化学 40 ページ: 78-84
  • 査読あり
• [雑誌論文] 時間分解表面増強赤外分光による電極触媒反応解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: Gabor Samjeske・山方啓・内田太郎・大澤雅俊
  • 雑誌名: 表面科学 30 ページ: 68-74
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visible Light-Responsive Pristine Metal Oxide Photocatalyst : Enhancement of Activity by Crystallization under Hydrothermal Treatment (2008)
  • 著者名/発表者名: Fumiaki Amano, Akira Yamakata, Kohei Nogami, M.Osawa, Bunsho Ohtani
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 130 ページ: 17650-17651
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen Evolution Reaction Catalyzed by Proton-Coupled Redox Cycle of 4,4-Bipyridine Monolayer Adsorbed on Silver Electrodes (2008)
  • 著者名/発表者名: Taro Uchida, Hirokazu Mogami, Akira Yamakata, Y.Sasaki, Masatoshi Osawa.
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 130 ページ: 10862-10863
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamics of double-layer restructuring on a Pt electrode covered by CO : Laser-induced potential transient measurement (2008)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata, Masatoshi Osawa
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.C 112 ページ: 11427
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure of Water at the Electrified Platinum-Water Interface : A Study by Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy (2008)
  • 著者名/発表者名: M.Osawa, M.Tsushima, H.Mogami, G.Samjeske, A.Yamakata.
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.C 112 ページ: 4248-4256
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopic Studies of Adsorbed Nitrate, Nitric Oxide and Related Compounds 1.Reduction of Adsorbed NO on a Platinum Electrode (2008)
  • 著者名/発表者名: K.Nakata, A.Okubo, K.Shimazu, A.Yamakata, Shen Ye, Masatoshi Osawa
  • 雑誌名: Langmuir 24 ページ: 4352-4357
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopic Studies of Adsorbed Nitrate, Nitric Oxide and Related Compounds 2. Nitrate Ion Adsorption at a Platinum Electrode (2008)
  • 著者名/発表者名: K.Nakata, Y.Kayama, K.Shimazu, A.Yamakata, S.Ye, M.Osawa
  • 雑誌名: Langmuir 24 ページ: 4358-4363
  • 査読あり
• [雑誌論文] 固液界面の水分子の構造とエネルギー移動ダイナミクス (2008)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 雑誌名: 分光研究 57 ページ: 23-24
• [雑誌論文] 表面増強赤外分光法による電極界面の超高速ダイナミクスの追跡 (2008)
  • 著者名/発表者名: 山方啓, 大澤雅俊
  • 雑誌名: Electrochemistry (電気化学および工業物理化学) 76 ページ: 208-213
  • 査読あり
• [雑誌論文] CO/Pt電極界面における電気二重層の構造ダイナミクス (2008)
  • 著者名/発表者名: 山方啓・大澤雅俊
  • 雑誌名: 表面科学 29 ページ: 526
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-resolved Infrared Absorption Study of Nine TiO_2 Photocatalysts (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata, T.Ishibashib, H.Onishi
  • 雑誌名: Chem.Phys. 339 ページ: 133-137
  • 査読あり
• [学会発表] Dynamics of photogenerated charge carriers in GaN photoelectrodes (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata, M.Yoshida, J.Kubota, K.Domen, M.Osawa
  • 学会等名: 7th International Workshop on Oxide Surfaces (IWOX-VII)
  • 発表場所: Echigo-Yuzawa, Japan
  • 年月日: 20100111-20100115
• [学会発表] Destruction of water layers around ions and electrode surface by their forced approach (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata, M.Osawa
  • 学会等名: 2010 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • 発表場所: Honolulu, USA
  • 年月日: 2010-12-18
• [学会発表] 時間分解赤外分光法を用いた固液界面の水和殻崩壊過程 (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓・大澤雅俊
  • 学会等名: 表面界面スペクトロスコピー2010
  • 発表場所: 筑波山
  • 年月日: 2010-12-04
• [学会発表] Time-resolved surface-enhanced infrared absorption study on destruction of hydration shells at the electrochemical interface (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata
  • 学会等名: Symposium on Advanced Spectroscopy
  • 発表場所: Hokkaido University(招待講演)
  • 年月日: 2010-10-08
• [学会発表] Kinetics of the destruction of hydration shells around tetraalkylammonium ions at the electrochemical interface (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata, M.Osawa
  • 学会等名: 61st Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: Nice, France
  • 年月日: 2010-09-28
• [学会発表] 固液界面における溶質の水和殻崩壊過程の赤外分光観察 (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓・大澤雅俊
  • 学会等名: 第106回触媒討論会
  • 発表場所: 山梨大学(招待講演)
  • 年月日: 2010-09-17
• [学会発表] 疎水性表面上の水分子の赤外分光解析:親水性ならびに疎水性イオンの接近による破壊 (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓・大澤雅俊
  • 学会等名: 日本分析化学会第59年会
  • 発表場所: 東北大学川内北キャンパス
  • 年月日: 2010-09-15
• [学会発表] 表面増強赤外吸収分光法を用いた電極界面におけるKcsAの構造変化 (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 「高次系分子科学」ミニシンンポジウム・イオンチャネルKcsA の機能制御と構造変化の関係を解明する計測法
  • 発表場所: サギセミナーセンター(広島県三原市佐木島)(招待講演)
  • 年月日: 2010-08-30
• [学会発表] 時間分解赤外分光法を用いた触媒反応機構の解明 (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 第50回オーロラセミナー
  • 発表場所: トーヤ温泉ホテル(招待講演)
  • 年月日: 2010-08-03
• [学会発表] 赤外分光法を用いた表面反応機構の解明 (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 日本化学会北海道支部冬季発表会
  • 発表場所: 北海道大学(招待講演)
  • 年月日: 2010-01-27
• [学会発表] Structural changes of water layers between ions and a hydrophobic solid surface by their close contact (2009)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata, Masatoshi Osawa
  • 学会等名: The second Asian Spectroscopy Conference
  • 発表場所: Seoul, Korea(招待講演)
  • 年月日: 20091130-20091203
• [学会発表] Picosecond time-resolved surface-enhanced infrared spectroscopy at the electrochemical interface (2009)
  • 著者名/発表者名: M.Osawa, A.Yamakata
  • 学会等名: FACSS 2009
  • 発表場所: Kentucky, USA(招待講演)
  • 年月日: 20091020-20091024
• [学会発表] Structure of water at the electrified platinum-water interface studied by infrared spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: M.Osawa, M.Tsushima, H.Mogami, G.Samjeske, A.Yamakata
  • 学会等名: The 3rd Horiba International Symposium and The 11th ISSP International Symposium (ISSP-11) on Hydrogen and Water in Condensed Matter Physics
  • 発表場所: Seimeinomori Resort, Chiba, JAPAN(招待講演)
  • 年月日: 20091012-20091016
• [学会発表] Hydrogen evolution reaction catalyzed by the redox cycles of 4,4'-bipyridine adsorbed on silver electrodes (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Uchida, A.Yamakata, Y.Sasaki, M.Osawa
  • 学会等名: 216th Meeting of The Electrochemical Society
  • 発表場所: Vienna, Austria
  • 年月日: 20091004-20091009
• [学会発表] Infrared study of hydration shells around tetra-alkylammonium cations at the electrochemical interface (2009)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata, M.Osawa
  • 学会等名: International Symposium on Nanoelectrochemistry and Spectroelectrochemistry
  • 発表場所: Xiamen, China(招待講演)
  • 年月日: 20090823-20090826
• [学会発表] ビピリジン分子による電解水素発生の促進-有機分子による反応活性サイトの創成- (2009)
  • 著者名/発表者名: 内田太郎、山方啓、佐々木陽一、大澤雅俊
  • 学会等名: 第103回触媒討論会
  • 発表場所: 埼玉
  • 年月日: 20090330-20090331
• [学会発表] 時間分解赤外分光法を用いたGaN光電極の光励起ダイナミクス (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、片山正士、久保田純、堂免一成、大澤雅俊
  • 学会等名: 第103回触媒討論会
  • 発表場所: 埼玉
  • 年月日: 20090330-20090331
• [学会発表] 電極界面におけるイオンの水和構造と破壊過程 (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 学会等名: 電気化学会第76回大会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20090329-20090331
• [学会発表] 電極界面における疎水性イオンの水和殻の構造とダイナミクス (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 学会等名: 日本化学会第89春季年
  • 発表場所: 船橋
  • 年月日: 20090327-20090330
• [学会発表] 赤外分光・和周波発生分光法を用いた電極界面分子のダイナミクス (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: シンポジウム『表面・界面を観る非線形分光の新しい展開』
  • 発表場所: 和光市理化学研究所(招待講演)
  • 年月日: 20090323-20090324
• [学会発表] Reaction dynamics on catalysis studied by time-resolved IR absorption spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 分光学会年次講演大会
  • 発表場所: 東京工業大学(招待講演)
  • 年月日: 2009-11-16
• [学会発表] 電極界面における水和イオンの構造とダイナミクス (2008)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 学会等名: 表面・界面スペクトロスコピー2008
  • 発表場所: 大阪(招待講演)
  • 年月日: 20081205-20081206
• [学会発表] 固液界面における準束縛溶媒分子の配向緩和ダイナミクス (2008)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 科研費特定領域研究第二回公開シンポジウム『高次系分子』
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 20081110-20081111
• [学会発表] Dynamics of Water Molecules in the Electric Double Layer Studied by Laser Induced Potential Transient Measurements (2008)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata, M.Osawa
  • 学会等名: 214th ECS Meeting PRiME 2008
  • 発表場所: Honolulu, USA
  • 年月日: 20081012-20081017
• [学会発表] Enhanced Hydrogen Evolution Reaction on an Ag Electrode Catalyzed by Proton-coupled Redox of 4,4-Bipyridine Adsorbed on the Surface (2008)
  • 著者名/発表者名: T.Uchida, A.Yamakata, Y.Sasaki, M.Osawa
  • 学会等名: 214th ECS Meeting PRiME 2008
  • 発表場所: Honolulu, USA
  • 年月日: 20081012-20081017
• [学会発表] 電極界面における赤外分光と和周波発生分光の比較 (2008)
  • 著者名/発表者名: 山方啓、大澤雅俊
  • 学会等名: 第二回分子科学討論会
  • 発表場所: 福岡
  • 年月日: 20080924-20080927
• [学会発表] Electrolysis of water on Ag electrode Accelerated by the adsorption of 4,4'-bipyridine (2008)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata, T.Uchida, M.Osawa
  • 学会等名: Catalysis for Hydrogen Energy Production, Utilization, A Post-Symposium of the 14 th International Congress on Catalysis
  • 発表場所: Gyeongju, Korea
  • 年月日: 20080720-20080722
• [学会発表] 時間分解赤外分光法を用いた電極表面に固定したタンパク質の構造とダイナミクス (2008)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: ミニ公開シンポジウム「イオンチャネルの構造ダイナミクス」
  • 発表場所: 福井(招待講演)
  • 年月日: 20080708-20080709
• [学会発表] 電極界面における水分子の反応とダイナミクス触媒学会北海道地区札幌講演会 (2008)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 触媒研究の近未来を語る
  • 発表場所: 札幌(招待講演)
  • 年月日: 2008-12-10
• [学会発表] Picosecond dynamics of the water molecules at the liquid/solid electrochemical interface (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata, M.Osawa
  • 学会等名: The International workshop on "electron transport through a linked molecule in nano-scale".
  • 発表場所: University of Tokyo (TOKYO), Japan
  • 年月日: 20070818-20070820
• [学会発表] Picosecond dynamics at the electric double layers (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Yamakata, M.Osawa
  • 学会等名: International Conference on Electrified Interface 2007.
  • 発表場所: SAHORO RESORT (Hokkaido), Japan
  • 年月日: 20070624-20070629
• [学会発表] Structure of Water at Pt-Acid Interface (2007)
  • 著者名/発表者名: M.Osawa, M.Tsushima, H.Mogami, G.Samjeske, A.Yamakata
  • 学会等名: International Conference on Electrified Interface 2007.
  • 発表場所: SAHORO RESORT (Hokkaido), Japan(招待講演)
  • 年月日: 20070624-20070629
• [図書] 書名『触媒技術の動向と展望2010』(時間分解赤外分光法を用いた触媒反応ダイナミクス-光触媒の光励起ダイナミクス-) (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓(分担執筆)
  • 総ページ数: 78-88
  • 出版者: 触媒学会編
• [図書] 書名『構造・プロセスから見る太陽電池の部材製造技術』(太陽電池用TiO2透明導電膜の製造技術) (2010)
  • 著者名/発表者名: 山方啓(分担執筆)
  • 総ページ数: 227-236
  • 出版者: (株)情報機構
• [図書] 書名『色材・顔料・色素の設計と開発-発色・着色メカニズムから各種応用製品まで』(酸化チタン) (2008)
  • 著者名/発表者名: 山方啓(分担執筆)
  • 総ページ数: 267-280
  • 出版者: (株)情報機構