【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】21244045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面 / 界面 / 固液界面 / 水溶液 / 電気化学 / 電気二重層 / 電解質イオン / 特異吸着 / ポーラロン / フォノンカップリング / ナノ空間 / 計算機シミュレーション / 溶液物性 / 電気化学的過程 / 電気化学過程

【研究成果の概要】

種々の分子シミュレーションの手法を用いて、固液界面での電解質水溶液の構造とダイナミクスを調べ、特徴的な空間スケールと時間スケール、水素結合ネットワーク中での各イオン種のふるまい、電気二重層構造の起源にミクロな視点からの理解を与えた。電極電位の効果を考慮して酸性溶液と白金電極との界面における水素発生の機構を定量的に評価した。また、界面系への適用を視野に光励起や電場の印加に始まる電子移動を扱うための理論的枠組みを構築した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2009 - 2012

【配分額】28,210千円 (直接経費: 21,700千円、間接経費: 6,510千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】19340077 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固液界面 / 電気化学反応 / 燃料電池 / 分子動力学 / シミュレーション / 電気二重層 / 第一原理計算 / 分子動力学シミュレーション / 有効遮蔽媒質法 / ブルームーンアンサンブル法 / 水素発生反応 / 有効遮蔽

【研究成果の概要】

第一原理分子動力学シミュレーション手法を用いて,電気化学反応のシミュレーションを行った.固液界面における電子移動反応・界面構造の変化・吸着状態の変化など,電圧を印加した界面に特有な物理が多数明らかになった.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究分野】工業物理化学

【研究領域課題番号】13650879 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

近赤外分光法 / 電極界面 / 吸着 / 電気化学 / ビオロゲン / 炭酸イオン / 金電極 / 水銀電極 / 固液界面 / 電気化学測定法 / その場測定法 / 電気二重層

【研究成果の概要】

従来,電極と電解質溶液の界面構造に関する振動分光学的研究は,分子の基本振動が現れる中赤外領域での検討が主流であった.しかしながら外部反射法を適用する限り,時定数の増大や物質移動溶液の阻害という問題は避けて通ることができなかった.一方,本研究では水分子による吸収が近赤外領域では比較的小さいという利点を生かして,まず多結晶金電極界面における支持電解質イオンおよび水分子の存在状態に関して検討をおこなった.その結果,われわれがすでに報告している中赤外領域の挙動と同様に,イオンの構造形成あるいは構造破壊能に応じて水の結合音に明らかな差異が認められ,固液界面の構造研究に対する本法の有用性を示すことができた.
赤外分光法はこれまで高反射率かつ安定な固体電極材料に対して適用されてきた.一方本研究では,炭素のような反射特性の劣る素材や,水銀のような液体電極と電解質溶液の界面に対しても,金基盤表面をアマルガム化して赤外外部反射法を適用することにより,界面構造に関する手がかりを得ることができた.過塩素酸イオンは,電気化学的には水銀にほとんど吸着しないと考えられてきたが,赤外法では吸着を示唆する結果が得られた.また,二重層内における水分子の構造についても興味深い結果が得られた.これらの結果は今後の電気二重層理論の展開において興味ある基礎データを提供するものと思われる.一方,ビオロゲン類は水銀表面に吸着して特異なスパイク状のレドックスピークを示すが,金単結晶電極でも非常に興味深い吸着挙動を示すことが明らかとなった.アルキル側鎖長を種々に変えて比較検討した結果,結晶面により複雑にボルタモグラム形状が変化し,吸着構造が下地原子配列の影響を強く受けていることが示された.こうした1対の鋭いレドックスピークは,高配向性グラファイト(HOPG)電極表面でも観察された.しかし,吸着分子の配向は,両電極で微妙に異なっていることが明らかとなり,このことがボルタモグラム挙動の差異に反映しているものと結論された.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)