| 研究課題/領域番号 |
19K05539
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
岩橋 崇 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (30402423)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 電気二重層 / 電極界面 / 電気化学 / 和周波発生振動分光 / SFG / in situ計測 / ヒステリシス / 過電圧 |
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| 研究実績の概要 |
電解液/電極界面は電気化学反応場として機能する根源的なナノ領域であり、当該界面に形成される電気二重層（EDL）は系の電気化学特性を支配する。これまでEDL構造は古典的なEDLモデルに基づいて検討されてきたが、近年既存モデルで説明できないEDL構造の電位応答ヒステリシスが確認された。故に、EDL構造の電位応答の精確な理解には当該ヒステリシス挙動の要因究明による新規理論モデル構築が求められる。本研究は赤外-可視和周波発生振動分光（SFG）と電子分光各種を相補的に用いて電気二重層形成ダイナミクスにおけるイオン交換のポテンシャル障壁を実験的に検証し、ヒステリシスを説明する新規EDLモデル構築を目指す。
2019年度は浸漬法を用いた電解液/電極界面におけるゼロ電荷点（PZC）の計測環境を構築し、SFG測定により得られたイオン吸着・脱離ヒステリシス曲線とPZCとの比較を行うことで、電気化学系におけるイオン吸着・脱離過電圧の定量測定技術を新たに確立した。結果として多くの無溶媒電解液系（イオン液体/電極界面）ではアニオン脱離過電圧、すなわち電極表面に吸着したアニオンの脱離に要する過剰な電圧がイオン吸着・脱離ヒステリシスの主要因であることが示唆された。また、より一般的な希釈電解液系でもアニオン吸着・脱離双方の電位応答に一般的なEDLモデルとの大きな乖離が認められ、すなわち既存モデルは無溶媒電解液系だけでなく希釈電解液系のEDL構造の電位応答も精確に記述できない可能性が見出された。本研究で用いた電解液系では無溶媒・希釈系双方とも電極表面においてアニオン吸着種がカチオン吸着種と比較してより安定であることが示唆され、アニオンと電極表面・拡散層との相互作用がイオン交換のポテンシャル障壁の主要因の一つであることが示された。なお、本成果は学会で報告済みであり、現在学術論文を執筆中である。
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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
前項「研究業績の概要」にて述べたとおり、PZC計測環境構築によりイオン吸着・脱離過電圧の定量評価を可能とすることで、EDL構造の電位応答ヒステリシスを引き起こすイオン交換のポテンシャル障壁における主要因の一つがアニオン脱離過電圧であることを突き止めた。すなわち、本研究の目標であるヒステリシス挙動を記述可能な新規EDLモデル構築において、特に重要なヒステリシス要因に関する新たな情報が得られたことから、研究は概ね順調に進んでいると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
2019年度までにイオン吸着・脱離過電圧を計測した電気化学系のサンプル数には限りがあるため、EDL構造の電位応答ヒステリシス挙動の主要因がアニオン脱離過電圧のみであると結論付けるには至っていない。そこで、2020年度以降はより多様な電気化学系のイオン吸着・脱離過電圧評価を行うことで、当該ヒステリシス要因の一般化を図る。また、ヒステリシス挙動を説明可能な新規EDLモデル構築にはイオン吸着・脱離過電圧の定式化、並びに理論モデルへの組み込みが必要である。このため、2020年度以降は更に電子分光各種から得られたマーデルングエネルギーとイオン吸着・脱離過電圧との相関評価や量子化学計算を活用することで、イオン吸着・脱離過電圧の決定要因の検討、及び定式化を試みる予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2019年度購入予定の電気化学アナライザーに新たにインピーダンス計測機能を追加するため70万円の前倒し支払い請求を行っており、次年度使用額は上記機能追加に要した実費と前倒し請求額との間に生じた余剰金にあたる。なお、当該使用額は少額であるため、翌年度の消耗品購入（電解液材料など）に用いる予定であり、前倒し請求時に提示した「本年度以降の研究実施計画」に変更はない。
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