Electrochemistry of Polaritonic Substrates

极化基底的电化学

基本信息

批准号：
22K18315
负责人：
村越敬
金额：
$ 16.64万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究においては水分子と共振場が強く相互作用したポラリトン状態に着目し、界面プロトン移動度制御に基づく多電子移動電極反応の効率化を目指す。共振器中において電解質水溶液のプロトン移動度が一桁上昇したことに端をなしており、共振器構造体を電極―電解質界面へと導入することによって、界面プロトン移動度制御を行い、触媒活性である過電圧低減や反応選択性を導入する試みである。4電子移動反応である酸素発生反応を対象として、構造電極の与える効果に関して検討を行った。構造電極の作成はレーザーリソグラフィなどのトップダウンの手法を利用して行い、電気化学応答が十分に計測可能な面積での良好な矩形構造の作成に成功した。これらの構造体は赤外領域においてフォトニックバンドを有していることが明らかとなり、分子振動と共鳴可能な共振器構造体を電極―電解質界面において作成することに成功した。さらには触媒活性の構造依存性を検証するために電気化学電位制御下での顕微観察を導入し、活性の高い電極のスクリーニングが可能であることを実証した。構造電極の光学特性が水のOH伸縮振動と共鳴する場合には触媒活性が加速されることを明らかとした。さらには非緩衝溶液において観測されるOH－の拡散に由来する触媒電流の増大が確認され、従来の共振器において観測されていた界面のイオン移動度の制御が可能となることを実証した。またNi―Fe系触媒の開発も同時に行い、電極構造を保持したままでのFeドーピングによる活性向上も実証した。酸素発生反応の機構解析を網羅的に行うために熱力学―速度論パラメータの機械学習をもととした反応速度解析手法を開発した。これらの手法を利用することにより、実験データと同時に熱力学―速度論パラメータの網羅的探索および反応パスの検証を行うことを可能とした。

在本研究中，我们关注水分子和共振场强烈相互作用的极化子状态，旨在提高基于界面质子迁移率控制的多电子转移电极反应的效率。这是由于电解质水溶液的质子迁移率在谐振器中增加了一个数量级，通过将谐振器结构引入电极-电解质界面，可以控制界面质子迁移率，从而提高催化活性。这是引入一些过电压降低和反应选择性的尝试。我们研究了结构化电极对析氧反应（四电子转移反应）的影响。结构化电极是使用激光光刻等自上而下的技术创建的，他们成功地创建了一个具有足够面积来测量电化学响应的矩形结构。结果表明，这些结构在红外区域具有光子带，我们成功地创建了一种谐振器结构，可以与电极-电解质界面的分子振动发生共振。此外，我们引入了电化学势控制下的微观观察来验证催化活性的结构依赖性，并证明可以筛选高活性电极。结果表明，当结构化电极的光学性质与水的OH伸缩振动共振时，催化活性会加速。此外，证实了在非缓冲溶液中观察到的 OH 扩散产生的催化电流的增加，这表明可以控制界面处的离子迁移率，这在传统谐振器中已经观察到。同时，我们还开发了一种Ni-Fe基催化剂，并证明通过Fe掺杂可以提高活性，同时保持电极结构。为了全面分析析氧反应机理，我们开发了一种基于热力学-动力学参数机器学习的反应速率分析方法。通过使用这些方法，我们使得全面搜索热力学动力学参数并与实验数据同时验证反应路径成为可能。