反応場としてのイオン液体―電極界面の構造とダイナミクスの直接観測

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25810044
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 本林 健太 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60609600)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: イオン液体 / 電気化学 / 表面界面科学 / 表面増強赤外分光

研究実績の概要

本年度は、イオン液体中における二酸化炭素の電気化学還元反応に関する検討を行った。
CO2の還元反応においては一般に、水の分解反応（水素発生）が競合して効率が低下することが問題であった。これはイオン液体中の微量水分についても言えることである。ところが、水と任意の比率で混合が可能なイオン液体、1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborateを電解液に用いると、かなり大きなモル比の水を含む場合でも、水素発生を起こさずにCO還元反応が進むことが報告されている。この原因を調べるため、表面増強赤外分光法(SEIRAS)を用いて、反応進行下における電極の界面近傍のその場観測を行った。
CO2還元反応の進行に伴い、カチオンのイミダゾリウム環が電極と平行に近づくような配向変化が観測された。同時に、カチオンのアルキル基も電極に著しく近づく様子が観測された。これらの結果から、カチオンによって電極表面の活性サイトが被覆されるために水の電気分解が阻害されている可能性が示唆された。
COは電極表面で２つの吸着構造(オントップ吸着、ブリッジ吸着)をとる。イオン液体中では、どちらの構造のCOもCO2還元反応の進行と共に表面濃度が減少することがSEIRAS観測により示された。水溶液中ではブリッジ吸着COのみがCO2還元の反応中間体として機能するが、イオン液体中ではどちらのCOも中間体として機能することがわかった。電極近傍のイオン性の雰囲気によって、反応機構が変わったものと考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology/Kansas State University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Massachusetts Institute of Technology/Kansas State University
• [国際共同研究] Imperial College London(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Imperial College London
• [雑誌論文] Potential-Induced Restructuring Dynamics of Ionic Liquids on a Gold Electrode: Steric Effect of Constituent Ions Studied by Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenta Motobayashi, Naoya Nishi, Yuki Inoue, Kazuya Minami, Tetsuo Sakka, and Masatoshi Osawa
  • 雑誌名: Electroanalytical Chemistry 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.jelechem.2017.02.049
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Interfacial Structure at the Quaternary Ammonium-Based Ionic Liquids|Gold (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoya Nishi, Kazuya Minami, Kenta Motobayashi, Masatoshi Osawa, and Tetsuo Sakka
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 121 ページ: 1658-1666
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b10826
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Speciation of Adsorbed Phosphate at Gold Electrodes: A Combined Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy and DFT Study (2016)
  • 著者名/発表者名: Momo Yaguchi, Taro Uchida, Kenta Motobayashi, and Masatoshi Osawa
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 7 ページ: 3097-3102
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b01342
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tracking a Common Surface-Bound Intermediate during CO2-to-Fuels Catalysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Anna Wuttig, Can Liu, Qiling Peng, Momo Yaguchi, Christopher H. Hendon, Kenta Motobayashi, Shen Ye, Masatoshi Osawa, and Yogesh Surendranath
  • 雑誌名: ACS Central Science 巻: 2 ページ: 522-528
  • DOI: 10.1021/acscentsci.6b00155
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inhibited Proton Transfer Enhances Au-Catalyzed CO2-to-Fuels Selectivity (2016)
  • 著者名/発表者名: Anna Wuttig, Momo Yaguchi, Kenta Motobayashi, Masatoshi Osawa, and Yogesh Surendranath
  • 雑誌名: Proceeding of the National Academy of Science of the USA 巻: 113 ページ: E4585-E4593
  • DOI: 10.1073/pnas.1602984113
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] イオン液体|金電極界面の構造に対するイオン種の立体効果:表面増強赤外吸収分光法による検討 (2017)
  • 著者名/発表者名: 本林健太, 西直哉, 井上友貴, 南和也, 作花哲夫, 大澤雅俊
  • 学会等名: 電気化学会第84回大会
  • 発表場所: 首都大学東京(東京都)
  • 年月日: 2017-03-25 – 2017-03-27
• [学会発表] In-situ observation of potential-dependent restructuring behavior of ionic liquid/electrode interfaces: A surface-enhanced infrared study (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenta Motobayashi
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会
  • 発表場所: 慶応大学(神奈川県)
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-19
  • 招待講演
• [学会発表] イオン液体｜金電極界面構造に与える微量水分の影響：表面増強赤外分光による検討 (2016)
  • 著者名/発表者名: 本林健太, 兵野篤, 大澤雅俊
  • 学会等名: 第36回表面科学学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県)
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-01
• [学会発表] Microscopic origin for hysteretic potential dependence of interfacial structure of ionic liquids near metal electrodes (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenta Motobayashi
  • 学会等名: EMN Meeting on Ionic Liquids
  • 発表場所: Chatrium Hotel Riverside Bangkok (Bangkok, Thailand)
  • 年月日: 2016-11-09 – 2016-11-13
  • 招待講演
• [学会発表] 金電極界面におけるイオン液体の構造に対するイオン種の立体効果：表面増強赤外吸収分光法による検討 (2016)
  • 著者名/発表者名: 本林健太, 西直哉, 井上友貴, 南和也, 作花哲夫, 大澤雅俊
  • 学会等名: 第7回イオン液体討論会
  • 発表場所: 金沢市文化ホール（石川県）
  • 年月日: 2016-10-25 – 2016-10-25
• [学会発表] Interfacial structure of ionic liquids near metal electrodes: Hysteretic potential dependence studied by surface-sensitive spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenta Motobayashi
  • 学会等名: International Symposium on Multi-scale Simulation of Condensed-phase Reacting Systems
  • 発表場所: 名古屋大学(愛知県)
  • 年月日: 2016-10-10 – 2016-10-13
  • 招待講演
• [学会発表] Potential­Dependent Structure of [BMIM][FSA]/Au Interface Studied By Surface Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenta Motobayashi, Kenichi Uchida, and Masatoshi Osawa
  • 学会等名: PRiME2016
  • 発表場所: Hawaii Convention Center (Hawaii, USA)
  • 年月日: 2016-10-02 – 2016-10-07
• [学会発表] Inhibited Proton Transfer Enhances Au-catalyzed CO2-to-Fuels Selectivity (2016)
  • 著者名/発表者名: Anna Wuttig, Anna Wuttig, Momo Yaguchi, Kenta Motobayashi, Masatoshi Osawa, and Yogesh Surendranath
  • 学会等名: 67th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: World Forum Convention Center (Hague, Netherland)
  • 年月日: 2016-08-21 – 2016-08-26
• [学会発表] Adsorption of Phosphate Ions at Gold Electrodes at Various pH Values: An In-Situ Surface-Enhanced IR Spectroscopic Study (2016)
  • 著者名/発表者名: Momo Yaguchi, Taro Uchida, Kenta Motobayashi, and Masatoshi Osawa
  • 学会等名: 67th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: World Forum Convention Center (Hague, Netherland)
  • 年月日: 2016-08-21 – 2016-08-26
• [学会発表] Dynamics of Adsorbed Intermediates during Cu-Catalyzed CO2-to-Fuels Catalysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Anna Wuttig, Can Liu, Qiling Peng, Momo Yaguchi, Shen Ye, Kenta Motobayashi
  • 学会等名: 67th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: World Forum Convention Center (Hague, Netherland)
  • 年月日: 2016-08-21 – 2016-08-26
• [備考] Kenta Motobayashi
  • URL: http://kmotobayashi.web.nitech.ac.jp/