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Dynamics of water in a catalyst layer of a fuel cell by quasielastic neutron scattering

伊藤 華苗; 山田 武*; 篠原 朗大*; 高田 慎一; 川北 至信

Journal of Physical Chemistry C, 125(39), p.21645 - 21652, 2021/10


The catalyst layer (CL) in polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) plays a critical role in the performance of a PEFC. In this study, we investigate the water dynamics in the CL using quasielastic neutron scattering (QENS) and small-angle neutron scattering. The temperature dependence of the mean square displacement $$<$$u$$^{2}$$$$>$$ shows that the freezing of water does not occur at a melting temperature in the Nafion thin film of the CL, suggesting that the water is confined in a smaller region than $$sim$$15 ${AA}$. The QENS measurements established three kinds of water in the CL: immobile water tightly connected to a sulfonic group, water in a fast mode assigned to free diffusion restricted in a sphere, and water in a slow mode described by a jump diffusion model. Assuming that these three modes were independent, the number of water molecules in each mode was estimated. On discussing the structure and dynamics elucidated in the study, we finally conclude that the coupled model of the fast and slow modes is plausible for describing the diffusion of water confined in the thin Nafion film of the CL.


Characteristics in trace elements compositions of tephras (B-Tm and To-a) for identification tools

奈良 郁子*; 横山 立憲; 山崎 慎一*; 南 雅代*; 淺原 良浩*; 渡邊 隆広; 山田 和芳*; 土屋 範芳*; 安田 喜憲*

Geochemical Journal, 55(3), p.117 - 133, 2021/00

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Geochemistry & Geophysics)




村田 千夏; 北原 理; 田中 究; 天澤 弘也; 武部 愼一; 山田 修*; 亀尾 裕

デコミッショニング技報, (62), p.20 - 31, 2020/09



Enhancement of element production by incomplete fusion reaction with weakly bound deuteron

Wang, H.*; 大津 秀暁*; 千賀 信幸*; 川瀬 頌一郎*; 武内 聡*; 炭竃 聡之*; 小山 俊平*; 櫻井 博儀*; 渡辺 幸信*; 中山 梓介; et al.

Communications Physics (Internet), 2(1), p.78_1 - 78_6, 2019/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:62.37(Physics, Multidisciplinary)



Neutron scattering studies on short- and long-range layer structures and related dynamics in imidazolium-based ionic liquids

根本 文也*; 古府 麻衣子; 長尾 道弘*; 大石 一城*; 高田 慎一; 鈴木 淳市*; 山田 武*; 柴田 薫; 上木 岳士*; 北沢 侑造*; et al.

Journal of Chemical Physics, 149(5), p.054502_1 - 054502_11, 2018/08

 被引用回数:12 パーセンタイル:72.95(Chemistry, Physical)

Alkyl-methyl-imidazolium ionic liquids C$$n$$mimX ($$n$$: alkyl-carbon number, X: anion) have short-range layer structures consisting of ionic and neutral (alkylchain) domains. To investigate the temperature dependences of the interlayer, interionic group, and inter-alkylchain correlations, we have measured the neutron diffraction (ND) of C$$n$$mimPF$$_6$$ ($$n$$ = 16, 9.5, 8). The quasielastic neutron scattering (QENS) of C16mimPF$$_6$$ was also measured to study the dynamics of each correlation. C16mimPF$$_6$$ shows a first-order transition between the liquid (L) and liquid crystalline (LC) phases at $$T_{rm c}$$ = 394 K. C8mimPF$$_6$$ exhibits a glass transition at $$T_{rm g}$$ = 200 K. C9.5mimPF$$_6$$ has both transitions at $$T_{rm c}$$ = 225 K and $$T_{rm g}$$ = 203 K. In the ND experiments, all samples exhibit three peaks corresponding to the correlations mentioned above. The widths of the interlayer peak at ca. 0.2 $AA$^{-1}$$ changed drastically at the L-LC transitions, while the interionic peaks at ca. 1 $AA$^{-1}$$ exhibited a small jump at $$T_{rm c}$$. The peak position and area of the three peaks did not change much at the transition. The structural changes were minimal at $$T_{rm g}$$. The QENS experiments demonstrated that the relaxation time of the interlayer motion increased tenfold at $$T_{rm c}$$, while those of other motions were monotonous in the whole temperature region. The structural and dynamical changes are characteristic of the L-LC transition in imidazolium-based ionic liquids.


Design of HTTR-GT/H$$_{2}$$ test plant

Yan, X.; 佐藤 博之; 角田 淳弥; 野本 恭信*; 堀井 翔一*; 今井 良行; 笠原 清司; 鈴木 孝一*; 岩月 仁; 寺田 敦彦; et al.

Nuclear Engineering and Design, 329, p.223 - 233, 2018/04

 被引用回数:10 パーセンタイル:87.34(Nuclear Science & Technology)



Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 2; Neutron scattering instruments

中島 健次; 川北 至信; 伊藤 晋一*; 阿部 淳*; 相澤 一也; 青木 裕之; 遠藤 仁*; 藤田 全基*; 舟越 賢一*; Gong, W.*; et al.

Quantum Beam Science (Internet), 1(3), p.9_1 - 9_59, 2017/12



Benchmark study of the recent version of the PHITS code

岩元 洋介; 佐藤 達彦; 橋本 慎太郎; 小川 達彦; 古田 琢哉; 安部 晋一郎; 甲斐 健師; 松田 規宏; 細山田 龍二*; 仁井田 浩二*

Journal of Nuclear Science and Technology, 54(5), p.617 - 635, 2017/05

 被引用回数:45 パーセンタイル:99.49(Nuclear Science & Technology)



瑞浪超深地層研究所における工学技術に関する検討(平成27年度); 設計・施工計画および施工対策技術の開発(委託研究)

戸栗 智仁*; 小林 伸司*; 辻 正邦*; 矢萩 良二*; 山田 俊子*; 松井 裕哉; 佐藤 稔紀; 見掛 信一郎; 青柳 芳明

JAEA-Technology 2017-005, 43 Pages, 2017/03




Inelastic and quasi-elastic neutron scattering spectrometers in J-PARC

瀬戸 秀紀; 伊藤 晋一; 横尾 哲也*; 遠藤 仁*; 中島 健次; 柴田 薫; 梶本 亮一; 河村 聖子; 中村 充孝; 川北 至信; et al.

Biochimica et Biophysica Acta; General Subjects, 1861(1), p.3651 - 3660, 2017/01

 被引用回数:21 パーセンタイル:80.69(Biochemistry & Molecular Biology)



HTTR-GT/H$$_{2}$$ test plant; System design

Yan, X.; 佐藤 博之; 角田 淳弥; 野本 恭信; 堀井 翔一; 今井 良行; 笠原 清司; 鈴木 孝一*; 岩月 仁; 寺田 敦彦; et al.

Proceedings of 8th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2016) (CD-ROM), p.827 - 836, 2016/11




眞田 幸尚; 宗像 雅広; 森 愛理; 石崎 梓; 嶋田 和真; 廣内 淳; 西澤 幸康; 卜部 嘉; 中西 千佳*; 山田 勉*; et al.

JAEA-Research 2016-016, 131 Pages, 2016/10




Angle-resolved photoemission analysis of electronic structures for thermoelectric properties of off-stoichiometric Fe$$_{2-x}$$V$$_{1+x}$$Al alloys

曽田 一雄*; 原田 翔太*; 林 利光*; 加藤 政彦*; 石川 文洋*; 山田 裕*; 藤森 伸一; 斎藤 祐児

Materials Transactions, 57(7), p.1040 - 1044, 2016/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:16.67(Materials Science, Multidisciplinary)

The electronic states of Heusler(L21)-type off-stoichiometric Fe$$_{2-x}$$V$$_{1+x}$$Al have been investigated by soft X-ray angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) in order to clarify the origin of their large thermoelectric powers, which cannot be explained in terms of the rigid band model. In off-normal and normal ARPES, Fe$$_{2.05}$$V$$_{0.95}$$Al shows a weakly dispersive bulk band around the binding energy of 0.3 eV in the $$Gamma$$-X direction and an almost dispersion-less one around 0.3 eV in a gap of dispersive bulk bands in the $$Gamma$$-L direction, which is attributed to the anti-site Fe defect. At the $$Gamma$$ point, the bulk band does not appear to cross the Fermi level $$E_{rm F}$$, consistent with the rigid band model for the excess Fe content bringing about the increase in the valence electrons, but no band crossing $$E_{rm F}$$ down is found at the X point. The anti-site Fe defect states near $$E_{rm F}$$ might push up the band at the X point and cause the p-type thermoelectric properties, unexpected with the rigid band picture. The change in the electronic structures and thermoelectric properties are discussed on the off-stoichiometry and substitution of the forth element.


瑞浪超深地層研究所における工学技術に関する検討(平成26年度); 設計・施工計画および施工対策技術の開発(委託研究)

小林 伸司*; 新美 勝之*; 辻 正邦*; 山田 俊子*; 青柳 芳明; 佐藤 稔紀; 見掛 信一郎; 大澤 英昭

JAEA-Technology 2015-039, 170 Pages, 2016/02





眞田 幸尚; 森 愛理; 石崎 梓; 宗像 雅広; 中山 真一; 西澤 幸康; 卜部 嘉; 中西 千佳; 山田 勉; 石田 睦司; et al.

JAEA-Research 2015-006, 81 Pages, 2015/07




瑞浪超深地層研究所における工学技術に関する検討(平成25年度); 設計・施工計画および施工対策技術の開発(委託研究)

小林 伸司*; 新美 勝之*; 沖原 光信*; 辻 正邦*; 山田 俊子*; 佐藤 稔紀; 見掛 信一郎; 堀内 泰治*; 青柳 芳明

JAEA-Technology 2014-035, 172 Pages, 2015/01




超深地層研究所計画 年度報告書(2013年度)

濱 克宏; 見掛 信一郎; 西尾 和久; 川本 康司; 山田 信人; 石橋 正祐紀; 村上 裕晃; 松岡 稔幸; 笹尾 英嗣; 真田 祐幸; et al.

JAEA-Review 2014-038, 137 Pages, 2014/12


日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、「地層処分技術に関する研究開発」のうち深地層の科学的研究(地層科学研究)の一環として、結晶質岩(花崗岩)を対象とした超深地層研究所計画を進めている。本計画は、「第1段階; 地表からの調査予測研究段階」、「第2段階; 研究坑道の掘削を伴う研究段階」、「第3段階; 研究坑道を利用した研究段階」の3段階からなり、2013年度は、第2段階および第3段階の調査研究を進めた。本報告書は、2010年度に改定した「超深地層研究所地層科学研究基本計画」に基づいた、超深地層研究所計画の第2段階および第3段階の調査研究のうち2013年度に実施した(1)調査研究、(2)施設建設、(3)共同研究等の成果を取りまとめたものである。


Cesium-adsorption behavior of weathered biotite from Fukushima Prefecture depends on the degree of vermiculitization

山田 裕久*; 横山 信吾*; 渡部 雄二郎*; 鈴木 正哉*; 鈴木 伸一; 八田 珠郎*

日本イオン交換学会誌, 25(4), p.207 - 211, 2014/11

We investigate the Cs-adsorption behavior of weathered biotites collected from Domiki, Mankei, Tozawa, and Yatsuzaku (in Fukushima) by changing the initial concentration of Cs in a solution. The degree of weathering of the samples increased in the following order: Domeki sample $$rightarrow$$ Tozawa $$rightarrow$$ Mankei $$rightarrow$$ Yatsuzaku. A characteristic feature of the Domeki sample was distortion of the biotite layer. The Tozawa sample had an even greater degree of distortion of the biotite layer. In the Mankei sample, hydrobiotite and randomly interstratified biotite-vermiculite were observed with distorted biotite. The Yatsuzaku sample contained vermiculite with hydrobiotite and distorted biotite. The Cs adsorption ratio was associated with the initial Cs concentration of the solution. The Cs adsorption ratio of samples in an initial solution of 1 to 100 ppm Cs was about 99%; it decreased with increasing Cs concentration in the solution. Dependency of Cs adsorption behavior on the degree of weathering of biotite was clearly observed in the Cs concentration range of 300 to 1000 ppm. With increasing degree of weathering, the rate of decrease in Cs adsorption ratio with increasing initial Cs concentration in the solution became slower and the maximum amount of Cs adsorbed by the sample increased. These results confirm that weathered phyllosilicates, vermiculite, interstratified biotite-vermiculite, and distorted biotite play important roles in Cs adsorption.


瑞浪超深地層研究所における工学技術に関する検討; 平成24年度(委託研究)

深谷 正明*; 納多 勝*; 畑 浩二*; 竹田 宣典*; 秋好 賢治*; 石関 嘉一*; 金田 勉*; 佐藤 伸*; 柴田 千穂子*; 上田 正*; et al.

JAEA-Technology 2014-019, 495 Pages, 2014/08




深度500m研究アクセス北坑道における先行ボーリング調査報告書(12MI27号孔, 12MI33号孔)

露口 耕治; 黒岩 弘; 川本 康司; 山田 信人; 大貫 賢二; 岩月 輝希; 竹内 竜史; 尾方 伸久; 須藤 正大; 見掛 信一郎

JAEA-Technology 2013-044, 89 Pages, 2014/02


本報告書は、深度500m研究アクセス北坑道における先行ボーリング(12MI27号孔, 12MI33号孔)の調査結果を取りまとめたものである。調査では、地質学的,水理学的,地球化学的データを取得するとともに、12MI33号孔では第3段階の再冠水試験のための地下水の水圧・水質モニタリング装置を設置した。調査の結果、割れ目の少ない中粒から粗粒の等粒状組織を示す黒雲母花崗岩が分布し、岩級はCH$$sim$$B級である。また、12MI33号孔では当初モデルで推定していなかった断層ガウジを伴う小規模断層が認められた。主立坑断層に近い12MI27号孔での割れ目密度は、12MI33号孔に比べ大きくなる傾向がある。孔内湧水は両孔ともに少ない。透水係数は、非変質帯で湧水量が少ない区間で4.8E-10$$sim$$6.1E-09m/sec、非変質帯で湧水量が多い区間で1.1E-07$$sim$$2.7E-07m/secの範囲であった。地下水の水質は、Na, Clに富む水質であった。

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