理研、1ナノメートルの電気二重層の状態を詳細に測定できるシステムを開発――電気化学デバイス等への応用に期待

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理化学研究所(理研)は2018年11月12日、電気化学反応における固体/液体界面の電気二重層を真空中に取り出して精密に測定できる複合システムを開発したと発表した。

固体電極と電解質溶液の固体/液体界面で進む電気化学反応に関しては、これまで多くの研究が行われてきた。両電極近くに陰イオンまたは陽イオンが多数分布する厚さ約1ナノメートルの「電気二重層」では、大きな電位差が生じ、さまざまな電気化学反応(酸化還元反応)が進行することが知られている。しかし、電解質溶液が邪魔をして、原子スケールでの詳細評価のための界面測定が難しいという課題があった。

今回の研究では、印加電圧に応じて可逆的な酸化還元反応を起こすフェロセンという鎖体分子を電極に固定することで、溶液中の電気化学反応と真空中の光電子分光を同一試料で測定できる複合システムを開発した。

このシステムを用いることで、電気化学測定によって電気二重層における酸化還元反応の進行状態が分かり、光電子分光測定によって、どの元素がどの状態で存在するのか、また分子がどの程度酸化されやすい状態か、印加電位が保持されているかなどの情報が得られる。

今回の研究は、溶液中で起こる電気化学反応の詳細を真空中で精密解析することの意義を見出したことが大きな成果だという。蓄電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学デバイス、また二酸化炭素還元の電極触媒などの開発を効率的に進める指針が与えられることが期待できるとしている。

今後はさらにさまざまな測定手法を組み合わせることで、電気化学反応の原子、分子レベルでの理解が進展すると考えられるという。

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