2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a dynamical operando hard x-ray photoelectron spectroscopic system for liquid reaction field
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21H04677
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
横山 利彦 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 教授 (20200917)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小板谷 貴典 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 助教 (60791754)
山本 航平 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 助教 (30844823)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | 光電子分光 / 化学反応 / 固液界面 / 気液界面 / シンクロトロン放射光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、固液界面測定システムの設計および備品調達を実施した。また、これと並行して、固気界面における水素吸蔵過程および不均一触媒反応のオペランド分光を実施した。
1. 固液界面の硬X線光電子分光測定(HAXPES)を可能にするため、測定真空槽・測定セル・試料マニピュレータの設計と作製を行い、さらに、反応活性評価用のガスクロマトグラフを導入した。また、液体ジェットを用いた時間分解測定のため、0.1マイクロメートル精度でノズルの位置調整が可能な高分解能Zステージの開発も行った。
2. オペランドHAXPES研究の準備実験として、固気界面におけるパラジウム合金試料への水素吸蔵過程および銅-亜鉛系触媒を用いたメタノール合成のその場観察雰囲気制御HAXPES測定を実施した。測定はSPring-8硬X線アンジュレータステーションBL36XU理研専用ビームラインにおいて、当研究室で設計・構築した大気圧硬X線光電子分光システムを用い、年間で５回（各４～５日）のビームタイムをいただき、十分に実施することができた。具体的な成果として、水素雰囲気下でパラジウム合金試料の内殻光電子分光を実施して、金属－ヒドリド相転移に由来する内殻準位シフトを明瞭に観測することに成功した。また、二酸化炭素と水素の混合ガス雰囲気において加熱した銅-亜鉛系触媒のHAXPES測定を行い、メタノール合成が起こっている条件での光電子分光観測に世界で初めて成功した。現在得られた成果を論文としてまとめている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
コロナウィルスの世界的な蔓延による物流の乱れや半導体不足の影響により、研究に必要な備品の準備に想定よりも時間がかかっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は固―液界面のオペランド分光測定のビームタイム申請を行い、以下に示す2種類の測定のための装置の立ち上げを実施したのち、固液界面あるいは気液界面における化学反応の実測を進めてゆく。
(i) 静的なオペランド硬X線光電子分光測定システムの開発
静的なオペランド硬X線光電子分光測定システムを実際に立ち上げる。固体反応場としての試料平板を液体試料に接触してメニスカスを形成することにより液体超薄膜を作成し、この固液界面あるいは液中での触媒反応をオペランド分光測定する。また、ポテンショスタットを用いて電極電気化学反応のオペランド分光測定を実施する。電極触媒の化学状態のみならず、液相光電子シグナルを調べることにより、反応雰囲気中における界面電気二重層の直接観測を実施する。
(ii) 動的反応条件下における時間分解オペランド分光測定システムの開発
引き続き液体の流れを利用した時間分解光電子分光測定を実施するための測定システムを開発する。昨年度は液体マイクロジェットの位置を精密制御可能なマニピュレーターの開発および作製を行った。今年度においてはジェット発生用のマイクロノズルを開発、ジェット発生に関するテストを行った後、実際にHAXPES装置にインストールして液体マイクロジェットの光電子分光測定を行う。ジェットの任意の位置に硬X線を照射して光電子分光測定を行う。液体試料だけでなく気相に脱離した反応生成物も光電子分光で検出も行う。通常発生する液体ジェットの速度は5~100m/sであり、硬X線スポットサイズ(20μm)に対応する空間分解能で液体ジェットの分光が可能であるため、ジェット速度5m/sでの時間分解能は6μsとなる。気体分子の液体試料への吸着あるいは吸収など、基本的な素過程を含めた気液界面化学反応のキネティクスの追跡を実施する。
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