Spectroscopic study on dynamical structures of electrode/electrolyte interfaces using surface-enhanced electronic and vibrational Raman scattering

使用表面增强电子和振动拉曼散射对电极/电解质界面动态结构进行光谱研究

• 批准号: 21H01882
• 负责人: 池田 勝佳
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Nagoya Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01882/
• 关键词: 界面分光; 動的構造; テラヘルツ振動; 電気二重層; 電気化学界面

エネルギー変換の行われる「反応場」である電気２重層の微視的構造は、界面電子移動に大きな影響を与えるが、イオン間あるいは電極表面との物理化学的相互作用により、複雑な動的挙動を示す。本研究では、「電極側の界面電子情報」「電解質側の界面化学種情報」「帯電粒子間の相互作用を伴う二重層の動的構造」を全て同時にin-situ測定し、界面の構造とダイナミクスを明らかにすることを目指している。特に、イオン間の相互作用や電極との相互作用に伴う短距離秩序形成が電極反応に与える影響を調べ、次世代電池開発に資する界面現象の知見蓄積を目指している。水溶液系の溶媒和型希薄電解質とイオン液体電解質の比較を行う上で、本年度はイオン液体電解質の測定を重点的に進めた。信号検出に不可欠な電極表面のナノ構造を保持したまま表面吸着水を真空乾燥により除去し、そのまま大気に触れずに計測できるセルを開発したことで、微量水分混入の影響を排除した測定が可能になった。イミダゾール系のイオン液体で測定を行った結果、従来報告されていた界面スペクトルは、表面吸着水に妨げられてイオンが電極と相互作用していない状況を測定していたことが明らかになった。今回の結果では、化学種が電極表面に吸着している直接的な証拠となる、界面電荷移動共鳴の発現も確認された。さらに、テラヘルツ領域に現れるイオン間の水素結合ピークも、界面スペクトルでは消失しており、電極とカチオンの相互作用によって、イオン間の水素結合が壊れる様子を捕らえた。また、先行して水溶液系で測定したテラヘルツ領域の振動スペクトルから水素結合ダイナミクスに関する微視的な解釈を得るため、古典MDによるシミュレーションを行った。その結果、電極電位に応答する低エネルギー成分は、電位によって印加された水分子の配向変化が引き金となって形成された水素結合ネットワークの欠陥と関係していることが分かった。

电气双层的显微镜结构，即执行能量转换的“反应场”，对界面电子转移具有重大影响，但由于内部离子或与电极表面的物理化学相互作用而表现出复杂的动态行为。这项研究旨在通过同时测量“电极侧的界面电子信息”，“电解质侧上的界面化学物种信息”，以及“双层层的动态结构与带电粒子之间的相互作用”。特别是，该公司旨在研究由于离子和电极之间的相互作用对电极反应的相互作用而导致的短期顺序形成的影响，并积累了有助于下一代电池开发的界面现象的知识。在比较溶剂化稀释电解质和离子液体电解质时，我们专注于今年测量离子液体电解质。通过开发一个通过真空干燥去除表面吸附水的细胞，同时保留电极表面上的纳米结构，这对于信号检测至关重要，并且可以在不暴露于大气的情况下测量，从而无需对痕量水的污染效果进行测量。使用基于咪唑的离子液体进行测量，并发现先前报道的界面光谱是测量以测量离子不与电极相互作用的情况，因为它们被表面吸附水阻塞。目前的结果还证实了界面电荷转移共振的表达，这是电极表面上化学物种吸附的直接证据。此外，在界面频谱中出现的内部氢键峰也消失了，由于电极与阳离子之间的相互作用，我们捕获了内部氢键的分解。此外，使用经典MD进行了模拟，以从水溶液系统中测得的Terahertz区域的振动谱中获得微观解释。结果，发现对电极电势响应的低能组件与氢键网络中的缺陷有关，氢键网络中的缺陷是由电势施用的水分子的方向变化触发的。

项目成果

Temperature dependence of potential-induced restructuring of an ionic liquid/Au electrode interface

离子液体/金电极界面电势诱导重构的温度依赖性

• 发表时间: 2021
• 作者: 中川 隼人;池田 勝佳;本林 健太
• 通讯作者: 本林 健太

表面増強ラマン散乱による水／白金系電極界面の水素結合ネットワークの観察

表面增强拉曼散射观察水/铂电极界面氢键网络

• 发表时间: 2022
• 作者: 上村龍豊;本林健太;池田勝佳
• 通讯作者: 池田勝佳

ニトロベンゼンチオールの光及び電気化学反応過程の低振動表面増強ラマン観察

硝基苯硫醇光电化学反应过程的低振动表面增强拉曼观察

• 发表时间: 2021
• 作者: 近藤利樹;本林健太;池田勝佳
• 通讯作者: 池田勝佳

Origin of Temperature-Dependent Onset Potentials of Co Electrodeposition in an Ionic Liquid Proved by Interfacial Vibrational Spectroscopy

界面振动光谱证明离子液体中钴电沉积温度依赖性起始电位的起源

• 发表时间: 2022
• 作者: 中川 隼人，池田 勝佳，本林 健太

溶媒和イオン液体／電極界面で起こる脱溶媒和現象のその場観測

溶剂化离子液体/电极界面处发生的去溶剂化现象的原位观察

• 发表时间: 2022
• 作者: Khian-Hooi Chew;Riichi Kuwahara;and Kaoru Ohno;木下 絵里加，土屋 維智彦，長塚 直樹，渡邊 一也;Tanimura Yoshitaka;中村友香，石山達也;松本 晃輔，池田 勝佳，本林 健太
• 通讯作者: 松本 晃輔，池田 勝佳，本林 健太