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high energy resolution XAFS山本 直生*; 松村 大樹; 萩原 悠人*; 田中 啓偉*; 長谷川 優太*; 石井 賢司*; 田中 裕久*
Journal of Power Sources, 557, p.232508_1 - 232508_10, 2023/02
被引用回数：2 パーセンタイル：29.01(Chemistry, Physical)Oxygen Reduction Reaction (ORR) is one of the key electrochemical reactions, especially in Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs). In this work, the reaction pathway and intermediate species such as molecular-type oxygen during ORR were discussed. High energy resolution X-ray absorption fine structure spectra at the Pt L
-edge were obtained to observe the electronic structure of Pt catalyst. Carbon-supported Pt nanoparticles as powder catalysts were used for measurement as more realistic conditions, and the species adsorbed on the Pt nanoparticles were analyzed while controlling under the potentials in acidic electrolyte solution with N
or O gas bubbling. Molecular-type oxygen adsorption species is observed only in the O-bubbled electrolyte solution. This intermediate adsorption species is assigned to a hydrogen superoxide.
草野 翔吾*; 松村 大樹; 石井 賢司*; 田中 裕久*; 水木 純一郎*
Nanomaterials (Internet), 9(4), p.642_1 - 642_14, 2019/04
被引用回数：7 パーセンタイル：37.59(Chemistry, Multidisciplinary)The oxygen reduction reaction (ORR) on Pt/C in alkaline solution was studied by in situ high energy resolution X-ray absorption spectroscopy. To discuss the X-ray absorption near-edge structure (XANES), this paper introduced the rate of change of the 
(RCD), which is an analysis method that is sensitive to surface adsorption. The surface adsorptions as hydrogen (below 0.34 V), superoxide anion (from 0.34 V to 0.74 V), hydroxyl species (from 0.44 V to 0.74 V), atomic oxygen (above 0.74 V), and 
-PtO (above 0.94 V) were distinguished. It is clarified that the catalytic activity in an alkaline solution is enhanced by the stability of atomic oxygen and the low stability of superoxide anion/peroxide adsorption on the platinum surface.
岸 浩史*; 坂本 友和*; 朝澤 浩一郎*; 山口 進*; 加藤 豪士*; Zulevi, B.*; Serov, A.*; Artyushkova, K.*; Atanassov, P.*; 松村 大樹; et al.
Nanomaterials (Internet), 8(12), p.965_1 - 965_13, 2018/12
被引用回数：11 パーセンタイル：49.2(Chemistry, Multidisciplinary)Platinum group metal-free catalysts based on transition metal-nitrogen-carbon nanomaterials have been studied by a combination of in situ X-ray spectroscopy techniques, high-resolution transmission electron microscope, M
ssbauer spectroscopy, electrochemical methods and density functional theory. Fe-N-C oxygen reduction reaction electrocatalysts were synthesized by varying several synthetic parameters to obtain nanomaterials with different composition and morphology. Associated with Fe-N
motive and the presence of Fe metallic particles in the electrocatalysts showed the clear differences in the variation of composition; processing and treatment conditions of sacrificial support method. From the results of material characterization; catalytic activity and theoretical studies; Fe metallic particles (coated with carbon) are main contributors into the HO
generation.
Cui, Y.-T.*; 原田 慈久*; 丹羽 秀治*; 尾嶋 正治*; 畑中 達也*; 中村 直樹*; 安藤 雅樹*; 吉田 利彦*; 石井 賢司*; 松村 大樹
NanotechJapan Bulletin (インターネット), 11(4), 6 Pages, 2018/08
固体高分子形燃料電池の正極には白金ナノ粒子触媒が使用されているが、加湿によって活性化過電圧が発生して性能が低下することが知られている。この原因を解明し、低減する技術を確立することが、燃料電池の性能向上とコスト低減に向けた喫緊の課題となっている。しかしながら、従来の方法で測定した白金ナノ粒子触媒のX線吸収スペクトルでは、白金の内殻正孔の寿命によるスペクトル幅の広がりで微細な構造がぼやけてしまい、吸着に起因する電子状態の変化を捉えることが困難であった。そこで本研究では、非弾性X線散乱装置を利用した高分解能型の蛍光X線吸収分光法による測定を行った。結果、酸素が水と共存することにより、白金の酸化を促進することが明瞭に検出でき、実験的に初めて明らかにすることができた。本来、触媒である白金は反応前後で不変であるべきものであるが、この反応では、白金上で酸素が水と共吸着することにより安定化して反応の進行を遅らせた結果、過電圧がより大きく生じていると解釈できる。また、白金コバルト合金ナノ粒子についても調べたところ、酸素と水の共吸着による酸化促進効果がほとんど起こらないことを見出した。
草野 翔吾*; 松村 大樹; 朝澤 浩一郎*; 岸 浩史*; 坂本 友和*; 山口 進*; 田中 裕久*; 水木 純一郎*
Journal of Electronic Materials, 46(6), p.3634 - 3638, 2017/06
被引用回数：3 パーセンタイル：19.84(Engineering, Electrical & Electronic)A method combining cyclic voltammetry (CV) with X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy, viz. CV-XAFS, has been developed to enable in situ real-time investigation of atomic and electronic structures related to electrochemical reactions. We use this method to study the reaction of a Pt/C cathode catalyst in the oxygen reduction reaction (ORR) in an alkaline electrolyte. It was found that the current induced by the ORR was first observed at approximately 0.08 V versus Hg/HgO, although the Pt valence remained almost unchanged. The electronic structure of the catalytic surface in the ORR was observed to be different in the negative and positive scan directions of CV measurements. Hydrogen adsorption is also discussed on the basis of the observation of this spectral change. We have demonstrated that CV-XAFS provides dynamical structural and electronic information related to electrochemical reactions and can be used for in situ real-time measurements of a catalyst.
high energy resolution X-ray absorption spectroscopyCui, Y.-T.*; 原田 慈久*; 丹羽 秀治*; 畑中 達也*; 中村 直樹*; 安藤 雅樹*; 吉田 稔彦*; 石井 賢司*; 松村 大樹; 陰地 宏*; et al.
Scientific Reports (Internet), 7(1), p.1482_1 - 1482_8, 2017/05
被引用回数：19 パーセンタイル：49.58(Multidisciplinary Sciences)In situ high energy resolution fluorescence detection X-ray absorption spectroscopy (HERFD-XAS) was used to systematically evaluate interactions of HO and O adsorbed on Pt and PtCo nanoparticle catalysts in different particle sizes. The systematic increase in oxidation due to adsorption of different species (HO adsorption 
O adsorption O + HO coadsorption) suggests that cooperative behavior between O and HO adsorptions is responsible for the overpotential induced by hydrated species in fuel cells. From the alloying and particle size effects, it is found that both strength of O/HO adsorption and their cooperative effect upon coadsorption are responsible for the specific activity of Pt catalysts.
and O/HO adsorption revealed by in situ XAFS and hard X-ray photoelectron spectroscopyCui, Y.*; 原田 慈久*; 畑中 達也*; 中村 直樹*; 安藤 雅樹*; 吉田 稔彦*; 池永 英司*; 石井 賢司*; 松村 大樹; Li, R.*; et al.
ECS Transactions, 72(8), p.131 - 136, 2016/10
被引用回数：1 パーセンタイル：48.91(Electrochemistry)The electronic structures of Pt and Pt-Co nanoparticles with O adsorption and O/HO co-adsorption were investigated by in situ hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) and in situ high resolution fluorescence detection X-ray absorption spectroscopy (HERFD-XAS) to clarify the effects of water adsorption on fuel cell cathode catalysis surface. The experimental results suggest that under the pressure of 1 mbar, the adsorption of HO hinders the successive O adsorption on Pt surface, while under the pressure of 1 bar, the adsorption of HO enhances the adsorption of O on Pt surface. This water effect is found to be more significant on Pt surface than on Pt-Co surface. These results would be helpful to understand how the water affects the fuel cell performance and why Pt-Co nanoparticles show higher oxygen reduce reaction (ORR) activity than Pt nanoparticles.
八巻 徹也; 加藤 翔*; 木全 哲也*; 山本 春也; 箱田 照幸; 小林 知洋*; 鈴木 晶大*; 寺井 隆幸*
no journal, ,
本発表では、イオンビームを利用したナノ構造触媒材料の創製と電気化学デバイス応用について、以下の3点を報告する。(1)金属イオン注入によるグラッシーカーボン(GC)担持貴金属ナノ微粒子の作製では、Ptイオン注入とGCの電気化学エッチングによって、粒径10nm以下のPtナノ微粒子を表面に析出させることができた。(2)GC基板への照射欠陥の導入が貴金属ナノ微粒子の酸素還元性能に及ぼす影響について、界面における元素の結合状態や化学状態の観点から調べた結果、注入後の残留欠陥がPt-C結合の形成を促進し、酸素還元活性を向上させることがわかった。(3)ナノ細線や我々のイオン穿孔膜の研究で明らかなように、イオンビームにより形成される高分子ナノ構造はアスペクト比が高いという特徴を有しており、ナノ微粒子触媒の担体として高い応用可能性を期待させる。
松村 大樹
no journal, ,
放射光を用いたX線吸収分光法は、元素選択的に局所構造を決定できるユニークな手法であり、「その場」構造解析手法として、極めて強く力を発揮する。発表者のグループは、X線吸収分光法の「その場」解析手法としての高度化を目指して研究Sを実施してきた。時間分解の例としてPt/Al
O
水素再結合触媒を、高エネルギー分解の例としてPt/C電極触媒を取り上げた実験を紹介する。電極触媒に対して、アルカリ溶液中で電位依存の高エネルギー分解X線吸収スペクトルを測定した。電位を上げるにつれ、高エネルギー側に新たな微細構造が逐次的に出現することが解った。高いエネルギーにピークがあるほど強い吸着種であると解釈することができる。アルカリ溶液中の酸素の存在状態に依存した微細構造を比較評価することで、Pt微粒子の表面吸着種として、H
, OH
, O
, Oを同定することができた。酸素存在雰囲気下においては、分子状酸素であるOが酸素還元反応の開始と共にPt表面に吸着することを見出し、触媒反応の一端を明らかにした。
松村 大樹
no journal, ,
高分解能XAFS法は金属微粒子触媒における表面吸着構造の細かな同定に役立つ手法である。本研究においては、電極触媒としての炭素担持白金金属微粒子触媒にこの手法を適用した。白金微粒子電極触媒は酸性溶液においてもアルカリ性溶液においても燃料電池の電極触媒として使用されている。特にカソード電極における酸素還元反応に対して重要な役割を担っているが、反応様式においては未だ不明な点もある。高分解能XAFS法を利用して酸及びアルカリ溶液中で電位を制御しながら白金微粒子電極触媒に対する高分解能XAFSを測定した結果、白金微粒子表面において電位に応じて吸着種が逐次変化していく様子を観測することができた。特に、酸溶液中においても分子状酸素の吸着が狭い電位領域で存在することを見出し、酸素還元反応の反応様式の一端を明らかにすることができた。
松村 大樹; 岡崎 宏之*; 出崎 亮*; 石井 賢司*; 八巻 徹也*
no journal, ,
X-ray absorption fine structure (XAFS) is a unique technique for the study of functional materials including metal nanoparticle catalysts. In situ observation by XAFS technique has been widely applied due to the long attenuation length of hard X-ray. However, the observation of XAFS spectra for light element is not easy because the X-ray absorption energy of light element is located at the soft X-ray region whose attenuation length is the order of nm size. X-ray Raman spectroscopy includes the information of XAFS spectra at soft X-ray region, though hard X-ray is employed for both probe and detection. We have applied X-ray Raman spectroscopy technique for the study of ion beam irradiation effect for glassy carbons. The ion beam irradiation enhances the electrocatalytic activity for Pt/C catalysts. We have demonstrated the availability of X-ray Raman spectra for the study of correlation between catalysis and structure for the irradiated carbon materials.
