2023 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 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)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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