2020 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of Metal Nanostructure Hybrid Ion Conducting Materials for the Control of Ionic Conductivity
Publicly Offered Research
| Project Area | Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices |
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| Project/Area Number |
20H05281
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
福島 知宏 北海道大学, 理学研究院, 助教 (50801560)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | プロトン伝導 / プラズモン共鳴 / ナノ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電極ー電解質界面でのイオンの挙動の理解は蓄電固体材料の機能開発において重要である。特にイオン伝導体の自由度(活量、拡散係数、活性化機構など)は電気化学系の制御指針となる基本的な物理量であるが、それらの精密な制御は難しい。本研究課題においてはプラズモン活性な金属ナノ構造界面での電子およびイオンの電気化学ポテンシャルの精密制御に基づき、プラズモン場の効果および表面効果を利用することにより基礎原理を確立することを目的と据えている。
本年度はモデル構造としてイオン伝導体・金属ナノ構造複合体の二次元基板を構築し、光電気化学計測を行った。テンプレート法によりガラス基板上に二次元金属ナノ構造を作成し、イオン伝導体であるNafionをスピンコート、ドロップキャスト法により厚みの異なる基板を作成した。電気化学交流インピーダンス法により加湿下での電気化学計測を行い、光応答性に関してはLED光源を利用することにより、波長選択性に関して検討を行った。
LED光照射下においては、金属ナノ構造がない場合あるいはNafionの厚みが厚い場合においては光応答が観測されなかった。それに対して金属ナノ構造を有する構造においては光照射条件下において照射光強度に応じたイオン伝導度の減少が確認された。さらに光応答速度に関しても検討を行ったところ、10秒程度で飽和するようなイオン伝導挙動が観測された。これらの応答性に関しては過去の分子系などに対して、十分に光強度が弱くても観測されうる現象であることが明らかとなった。さらにはLED光の波長条件を精密に変化させ、その光応答挙動に関して観測したところ、興味深いことにプラズモン共鳴に応じたアクションスペクトルが観測された。これらの事実はプラズモン共鳴がイオン伝導度に影響を与えることが可能であるということ、さらには光イオン伝導が達成可能であることを明確に示す結果となっている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウイルス蔓延の関連にて、研究活動が停止した時期、また物品納入ができなかった時期もあり、研究活動に支障が生じた。また領域会議の開催や共同研究活動においても国内での出張が一部制限された時期があり、研究活動に遅れが生じた。
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| Strategy for Future Research Activity |
金属ナノ構造表面にの表面効果に関して特に検討をすすめる。現在表面が負に帯電しているAuナノ構造を用いているためにカチオンの伝導度が下がっているということが考えられる。金属ナノ構造の表面は蒸着することにより表面の帯電状態や分子種を変化することが可能である。プラズモン共鳴においては界面での電場勾配や、化学反応、光熱変換などの多様な物理化学現象が生じることが知られており、これらの寄与に関しても表面化学種の変化により、観測現象の体系化を行う。さらには蓄電固体材料において重要となるLiイオンなどにおいても同様に実験を進めることにより、電流導通条件下での検討を行う予定である。またプラズモン活性な金属ナノ構造とは別に共振器を利用した結合系においても検討を行っており、これらに関しても実施していく予定である。
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