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2023 年度 実績報告書

液体を反応場とした動的オペランド硬X線光電子分光システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 21H04677
研究機関分子科学研究所

研究代表者

横山 利彦  分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 教授 (20200917)

研究分担者 小板谷 貴典  京都大学, 理学研究科, 准教授 (60791754)
山本 航平  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 次世代放射光施設整備開発センター, 研究員 (30844823)
倉橋 直也  分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 特任助教 (20973382)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2024-03-31
キーワード大気圧光電子分光 / オペランド分光 / 界面 / 二酸化炭素 / メタノール合成 / 電気化学的還元反応
研究実績の概要

本研究課題では固-液界面および気-液界面における化学反応機構の解明を目的として、界面を計測可能な硬X線雰囲気制御光電子分光システムを新たに開発し、界面で起こる化学反応のリアルタイム分光観測を実施した。
本年度は開発したオペランド光電子分光測定システムを用いて、まず銅-酸化亜鉛系メタノール合成触媒を用いた二酸化炭素水素化反応のオペランド分光観測を実施した。それにより、反応中の触媒の化学状態が反応条件によって動的に変化すること、および酸化亜鉛表面に吸着したフォルメートの量とメタノール生成速度に相関があることが明らかとなった。この結果は酸化亜鉛表面上のフォルメートが反応中間体であることを示唆しており、長らく議論が続いているメタノール合成の反応活性サイトに関する手がかりを与える成果である。この研究成果は学術誌に投稿しすでに出版されている。
また、固-液界面における二酸化炭素の電気化学的還元反応のその場光電子分光測定も実施した。固-液界面を高感度かつ選択的に観測することは、界面を反応場とする電気化学反応を理解するために非常に重要となる。光電子分光は界面選択的かつ元素選択的に計測を行える実験手法であり、この特徴を活かし反応条件下での電極反応のその場分光を行った。作用極として銅電極、電解液として炭酸水素カリウム水溶液を用いて実験を行い、銅電極表面の酸化状態や、銅表面に吸着した中間体の種類および量が電極電位に依存して変わることが実験的に明らかとなった。また、界面に形成される電気二重層中の水およびイオン種の電子状態計測にも成功した。とりわけ、電気化学反応中の電極表面に形成される反応中間体の定量評価に関しては先行研究例がほとんど無く、世界中で精力的に研究がなされている二酸化炭素電気化学的還元の反応機構に関して新たな知見をもたらす成果であると言える。一連の研究結果は学術誌に投稿予定である。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Operando Observation of Hydrogenation of Carbon Dioxide by Near Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy2024

    • 著者名/発表者名
      KOITAYA Takanori、YAMAMOTO Susumu、MATSUDA Iwao、YOSHINOBU Jun、YOKOYAMA Toshihiko
    • 雑誌名

      Vacuum and Surface Science

      巻: 67 ページ: 117~122

    • DOI

      10.1380/vss.67.117

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Present Status and Prospects of Operando Measurement by Atmospheric Pressure Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy2024

    • 著者名/発表者名
      TAKAGI Yasumasa, YOKOYAMA Toshihiko
    • 雑誌名

      Vacuum and Surface Science

      巻: 67 ページ: 123~128

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Operando Characterization of Copper-Zinc-Alumina Catalyst for Methanol Synthesis from Carbon Dioxide and Hydrogen by Ambient-Pressure Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Koitaya Takanori、Yamamoto Kohei、Uruga Tomoya、Yokoyama Toshihiko
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 127 ページ: 13044~13054

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c02785

    • 査読あり
  • [学会発表] 硬X線光電子分光による電気化学反応のオペランド観測2024

    • 著者名/発表者名
      小板谷 貴典
    • 学会等名
      日本物理学会
  • [学会発表] 様々な光で解析する高分子電解質膜と水の関係2024

    • 著者名/発表者名
      倉橋直也
    • 学会等名
      水素・燃料電池材料研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 雰囲気制御型硬X線光電子分光によるパラジウム合金への水素吸蔵過程のその場観測2023

    • 著者名/発表者名
      小板谷 貴典
    • 学会等名
      日本物理学会
  • [学会発表] 物質科学のための放射光X線分光2023

    • 著者名/発表者名
      横山 利彦
    • 学会等名
      第26回日本XAFS討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] Operando ambient pressure hard x-ray photoelectron spectroscopic studies of working fuel cells and CO2 reduction catalyst2023

    • 著者名/発表者名
      Toshihiko YOKOYAMA
    • 学会等名
      16th Eurasia Conference on Chemical Sciences 2023
    • 招待講演

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公開日: 2024-12-25  

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