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

https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c06014

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 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 15 . 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.

アルカリ金属水酸化物をドープしたアルミノケイ酸固体電解質上での水蒸気の不均化分解,原子力基礎研究H13-015(委託研究)

長瀬 賢三*; 森田 昇*; 渡部 昭義*; 浅尾 豊信*

JAERI-Tech 2005-052, 99 Pages, 2005/09

JAERI-Tech-2005-052.pdf:5.92MB

アルカリ金属水酸化物をドープしたアルミノケイ酸電解質上での水分子の電気分解において、ファラデー則を超える過剰の水素が生成することを見いだした。本現象は将来の低コスト水素製造具術として期待される。そこで、本現象の技術的成立性を評価し、解決すべき技術的課題を抽出するために、反応速度,反応機構の究明及び熱力学的考察を行った。その結果、水素が低温で、かつ効率的に発生するためには、無機高分子担体上での水分子による膨潤状態の出現と印可電圧及びアルカリ金属酸化物MOHの存在が不可欠な要件であることが判明した。また、本反応機構における最も可能性のある反応機構を考察した。

analysis using high resolution synchrotron radiation photoemission spectroscopy for initial oxidation of HO pre-adsorbed Si(001) surfaces induced by supersonic O molecular beams at room temperature

吉越 章隆; 寺岡 有殿

Atomic Collision Research in Japan, No.28, p.105 - 107, 2002/00

超音速Oビームによって並進運動エネルギーを3.0eVにすると、水が解離吸着したSi(001)表面に、酸素の解離吸着が形成される。各酸化状態の時間発展を、高分解能放射光光電子分光法によるその場観察によって明らかにした。並進運動エネルギーが3.0eVの場合、第2層のバックボンドまで酸化がランダムに進むことが明らかとなった。酸化状態の時間変化から、酸化初期においてはSiが存在しないことが明らかとなった。これは、最表面のダイマーが4つの酸素原子と結合しないことを意味する。つまり、並進運動エネルギーによってダイレクトに、Si(001)表面のサブサーフェイスのSi原子のバックボンドまで酸素分子の解離吸着が起きることを明らかにした。

Structures and bonding of hyperlithiated molecules

工藤 博司*; 横山 啓一

Bulletin of the Chemical Society of Japan, 69(6), p.1459 - 1469, 1996/00

https://doi.org/10.1246/bcsj.69.1459

化学量論を超える過剰の原子価電子をもちながら、熱力学的に安定な超リチウム化分子の構造とその結合状態に関する最近の研究をまとめ、解説する。クヌッセン噴出質量分析(Knusen-effusion mass spectrometry)実験により実在を確認したCLi、LiO、LiO,LiO,LiS、LiS、LiP、LiCN、NaCNおよびKCNなどの超原子価分子の構造と電子配置をab initio分子起動計算によって求め、その結合状態を解明した。実験および理論計算の方法について述べるとともに、過剰な原子価電子が分子の安定化役割について解説する。

The Stability and structure of the hyperlithiated molecules LiS and LiS: An Experimental and ab initio study

工藤 博司; 横山 啓一; Wu, C. H.*

Journal of Chemical Physics, 101(5), p.4190 - 4197, 1994/09

https://doi.org/10.1063/1.467469

Knudsen-effusion 質量分析法によりLiCN分子の熱力学量を決定し、非経験的分子軌道法計算により求めた理論値と比較しながらこの超リチウム化分子の熱力学的安定性、分子構造および結合状態について研究した。LiCN分子は非直線形の平面構造が最も安定であり、通常原子価のLiNC分子に比べて32.73.3kcal/mol安定である。電荷分布解析からLiCN分子はLiとCNの塩として存在していると考えられる。C-Nの結合距離1.2からCNは三重結合していることが分かり、LiCNが超原子価結合を含んでいることが結論できる。この分子は中心原子団に2原子以上を含む超リチウム化分子として初めて実在が確認されたものである。

Studies on chemical thermodynamics of hyperlithiated molecules by Knudsen-effusion mass spectrometry

工藤 博司

質量分析, 41(6), p.317 - 328, 1993/00

https://doi.org/10.5702/massspec.41.317

Knudsen-effusion質量分析法によりCLi,LiO,LiO,LiS,LiS,LiPなどのポリリチウム化分子の実在を確認し、その解離エネルギー、原子化エネルギー、イオン化ポテンシャルなどの熱力学量を決定した。これらの分子は形式的に9個以上の原子価電子を有し、オクテット則を逸脱する分子として興味が持たれ、超リチウム化分子あるいは超原子価分子とよばれている。その存在は理論的に予測されていたものであるが、一連の実験によりその実在を確認するとともに、熱力学量の実験が理論的予測値に一致することを示し、理論計算の正しいことを証明した。本稿では、実験の詳細について述べるとともに、CLi分子を中心に超原子価分子の結合状態について考察する。

Ionization of Rydberg atoms in thermal collisions with polar molecules

白井 稔三; 中村 宏樹*

Phys.Rev.,A, 36(9), p.4290 - 4297, 1987/09

抄録なし

The Application of an effective nuclear charge model to the prediction of valence force constants in planar and pyramidal XY molecules, 2

大和田 謙

Journal of Chemical Physics, 72(6), p.3663 - 3668, 1980/00

https://doi.org/10.1063/1.439575

平面および三角錐型XY分子の各種の力の定数を、さきに提唱した有効核電荷モデルにより計算し、これらを実測振動数の基準振動解析から得られる力の定数と比較検討した。その結果、計算値と実測値との一致は極めて良く、より複雑な分子への適用が可能であるとの見通しを得た。

ESR study of neutron-irradiated LiF crystals

数又 幸生

Journal of the Physical Society of Japan, 35(5), p.1442 - 1449, 1973/05

https://doi.org/10.1143/JPSJ.35.1442

種々の温度条件のもとで、中性子照射を行い、LiF結晶中に生成された常磁性中心をESRを使って調べた。室温照射においては、電子捕獲中心(F中心、交換相互作用で結びついているF中心、空格子集合体に捕えられている電子)が、主な常磁性中心であった。一方80K照射では、電子捕獲中心は、少くなく、分子性イオン中心が主であった。これ等の分子性イオン中心において、新しい型の格子間原子が見い出され、それ等のモデルを提出した。亦80K~0Cの中間温度での照射結果から、熱中性子照射においては、最初、Zoneが形成され、このZoneからの空格子の移動に伴って、F中心が形成されることを見い出した。このF中心形成の機構は、現在迄提出されている機構と全く別種のものであり、荷電粒子線照射の場合にも、同様の機構で、格子欠陥が形成されると考えられ、きわめて一般性のあるものである。