ナノギャップ電極を用いた電界触媒反応の開拓

使用纳米间隙电极开发电催化反应

基本信息

批准号：
22K19034
负责人：
山下建
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K19034/
关键词：
電界触媒反応ナノギャップ電極電気二重層異性化反応

项目摘要

本年度は電界を触媒とする反応を実現するために表面積の大きいナノギャップ電極の作成を試みた。櫛形電極パターンを利用することで大面積化することが目標であるが、まずは電極対が1つで試みることとした。ナノギャップのプレパターンとして10 μmのギャップを持ち6 mm程度の対向長を持つ電極を準備した。ここに電圧を印加しながら金をゆっくりと蒸着することでナノギャップを形成することを目指した。本手法は論文として報告されている手法を参考としているが、ギャップ形成には至らず通電してしまう場合やギャップが広すぎで大きな抵抗値が観測される結果となった。今後は電極基板を取り扱う環境や膜厚モニターの精度などを改善して取り組む必要がある。プレパターンとして準備した金電極のリソグラフィー工程を精査することで電極のエッジ構造をシャープにすることも必要であることが明らかとなった。電界を触媒とした反応を実現するためのもう1つの手法として電極-電解液界面に生じる電気二重層に着目した研究も行った。ジピリジルテトラジンと2,3-ジヒドロフランのDiels-Alder付加体が異性化(再芳香族化)してアルコールが生成する反応について、電気二重層を形成した電極がある場合には電気二重層がない場合と比べて反応が加速することを見出した。本反応は単分子接合中での電界印加による反応加速は報告されているが、電気二重層のような原理的には大量の反応に適用可能な系で見出されたのは初である。

今年，我们尝试制造具有大表面积的纳米间隙电极，以实现电场催化的反应。目标是通过使用梳状电极图案来增加面积，但我们决定首先尝试使用单个电极对。制备间隙为 10 μm、面长约 6 mm 的电极作为纳米间隙预图案。目的是通过在施加电压的同时缓慢沉积金来形成纳米间隙。虽然该方法是基于论文中报道的方法，但存在在没有形成间隙的情况下流过电流的情况，或者间隙太宽而观察到大的电阻值的情况。今后，需要努力改善电极基板的处理环境以及膜厚监测器的精度。通过仔细检查作为预图案制备的金电极的光刻工艺，很明显还需要锐化电极的边缘结构。我们还对电极-电解质界面上形成的双电层进行了研究，作为实现电场催化反应的另一种方法。关于联吡啶四嗪和2，3-二氢呋喃的第尔斯-阿尔德加成物异构化(再芳构化)生成醇的反应，如果存在已形成双电层的电极，则将形成双电层。发现与没有它的情况相比，反应加速了。尽管有报道称，通过在单分子结中施加电场来加速该反应，但这是第一次在原则上可以应用于大量反应的系统中发现它，例如作为双电层。