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2022 年度 実施状況報告書

熱的条件下での気相クラスター反応の時間制御による速度論的・熱力学的研究

研究課題

研究課題/領域番号 21K14583
研究機関東京大学

研究代表者

永田 利明  東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (80783373)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード物理化学 / クラスター / 気相反応 / 質量分析 / 熱分析
研究実績の概要

気相クラスターの熱反応を解析する手法として以前から気相昇温脱離法という手法で研究を進めてきたが、この際の反応時間を制御することでクラスターの気相反応について熱力学的・速度論的に従来より詳細な解析を行うことを目指して研究を進めている。熱反応の時間制御を行うことで反応過程を詳しく追跡できるようになることが期待されるが、そのような解析が必要となる反応系として、多段階かつ正反応と逆反応が同時に進行するような反応過程に着目し、そのようなクラスター反応の候補となる反応系について気相昇温脱離法を用いた反応解析を行った。
ケイ素酸化物クラスターに水分子を反応させることでクラスター水和物を生成し、加熱することで起こる変化を調べた。Si, O, Hの原子から構成されるクラスターは、各元素が+4価、-2価、+1価を取るような化学量論的な組成が主に生成し、加熱によりH2O分子の脱離反応が見られた。H2O濃度条件を変化させた気相昇温脱離実験の結果を比較することで、加熱によって単にH2Oが脱離しているのではなく、同時にH2Oの吸着(逆反応)が起きていることが分かった。クラスターを1000 Kまで加熱してもH2Oは完全に放出されず、Si3O7H3+のような化学式の上ではまだH2Oの脱離が可能である組成で反応が止まることが分かった。量子化学計算と実験の結果を合わせて検討したところ、H2O分子はSi酸化物クラスターと反応することでOH基の形で存在していること、Si原子が四面体型4配位構造を取る構造が安定でそのような構造が取れない組成は著しく不安定であることが示唆された。
アルミニウム酸化物クラスターについても同様に水分子を反応させ熱変化を調べた。Siと同様に式の上ではH2Oの脱離がまだ可能であるような組成で脱離反応が止まったが、量子化学計算からはAlではSiとは異なる安定化則が示唆された。

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

当年度は前年度に引き続き、時間可変な加熱反応実験の対象となるべき反応系を策定するための実験研究を主に進めたため、当初の目的である時間可変な加熱実験装置の開発よりもその前提となる反応実験を進めた形となった。装置開発が後回しになっている点では計画に遅れが生じているが、装置開発にあたっては現状の実験装置を改造する必要があるため当面の間当該装置を用いた実験研究を止める必要があり、現在進行中の反応実験研究を現時点では続けた方が良いという判断で計画とは異なる形で研究を遂行している。実験の方では十分に成果が得られていると考えており、本研究全体の評価としては順調に進んでいると思われる。

今後の研究の推進方策

研究期間の最終年度にあたり、引き続き気相クラスター反応の研究を進めつつ、現在進行中の研究をある程度まとめられる時点で当初目標である時間可変の昇温脱離実験装置の製作を行い、年度内に動作の実証を行う予定である。それと合わせて、現在研究室で所持している気相クラスターの赤外解離分光の装置について、クラスター生成部を改良することで加熱条件下での振動スペクトル取得実験を行い、本研究の主目標である反応の熱力学的・速度論的解析に加え、クラスターの構造に基づく議論を行うことでクラスター反応についてより具体的な像を見出すことを目指している。

次年度使用額が生じた理由

当初計画より実験装置の開発を後に回したため、そのための費用が次年度の使用予定となった。COVID19の影響によりオンライン開催が主となっていた学会が対面実施に復帰しつつあるが、当年度は近隣で開催された学会のみに参加したため、旅費の支出をしていない。その分の旅費は次年度に遠方や海外で開催される研究集会に積極的に参加することに充てる予定である。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (10件)

  • [雑誌論文] Reduction of nitric oxide adsorbed on iridium cluster cations at high temperatures2023

    • 著者名/発表者名
      Keitaro Tatsukawa, Toshiaki Nagata, Masato Yamaguchi, Ken, Miyajima, Fumitaka Mafune
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 815 ページ: 140368~140368

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2023.140368

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Size-Dependent Geometrical Structures of Platinum Oxide Cluster Cations Studied by Ion Mobility?Mass Spectrometry2023

    • 著者名/発表者名
      Yuto Nakajima, M. Abdul Latif, Toshiaki Nagata, Keijiro Ohshimo, Fuminori Misaizu
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry A

      巻: 127 ページ: 3570~3576

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.2c09017

    • 査読あり
  • [学会発表] Hydrogen desorption from vanadium and cobalt hydride cationic clusters by temperature desorption spectrometry2023

    • 著者名/発表者名
      Yangkun Wu, Hayato Kurashita, Ken Miyajima, Toshiaki Nagata, Fumitaka Mafune
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
  • [学会発表] 気相昇温脱離法による水素化遷移金属クラスター正イオンの水素脱離の観測2023

    • 著者名/発表者名
      宮島 謙, 呉 ヤンクン, 藏下 隼人, 永田 利明, 真船 文隆
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
  • [学会発表] 気相昇温脱離法を用いたケイ素酸化物クラスターにおける水分子保持能力の研究2023

    • 著者名/発表者名
      永田 利明, 宮島 謙, 真船 文隆
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
  • [学会発表] 赤外光解離分光法による気相白金酸化物クラスターと水素の反応研究2023

    • 著者名/発表者名
      友澤 皓介, 周 天悦, 工藤 聡, 永田 利明, 宮島 謙, 真船 文隆
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
  • [学会発表] 気相昇温脱離法によるケイ素酸化物クラスターの安定組成および水素との反応性の検討2022

    • 著者名/発表者名
      永田 利明, 宮島 謙, 真船 文隆
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会
  • [学会発表] 赤外光解離分光法による気相白金クラスター上の水素・酸素吸着形態の研究2022

    • 著者名/発表者名
      友澤 皓介, 周 天悦, 工藤 聡, 永田 利明, 宮島 謙, 真船 文隆
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会
  • [学会発表] 白金酸化物クラスター正イオンの一酸化窒素との反応のイオン移動度質量分析による観測2022

    • 著者名/発表者名
      中島 優斗, 永田 利明, 大下 慶次郎, 美齊津 文典
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会
  • [学会発表] Development of apparatus for infrared photodissociation spectroscopy of thermally induced reaction on gas phase clusters2022

    • 著者名/発表者名
      Tianyue Zhou, Kosuke Tomozawa, Satoshi Kudoh, Toshiaki Nagata, Ken Miyajima, Fumitaka Mafune
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会
  • [学会発表] Hydrogen storage capacity of Nb doped Al clusters investigated by thermal desorption spectroscopy in the gas phase2022

    • 著者名/発表者名
      Yufei Zhang, Toshiaki Nagata, Satoshi Kudoh, Ken Miyajima, Fumitaka Mafune
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会
  • [学会発表] 気相昇温脱離法によるロジウム合金酸窒化物クラスターとCOとの反応の組成依存性の観測2022

    • 著者名/発表者名
      宮島 謙, 張 宇飛, 永田 利明, 工藤 聡, 真船 文隆
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会

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公開日: 2023-12-25  

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