大型放射光施設 SPring-8

公開日

2013年09月18日

2013年9月18日
独立行政法人 物質・材料研究機構
独立行政法人 科学技術振興機構

研究の背景
　蓄電池、燃料電池、色素増感太陽電池、光触媒において、主要なエネルギー変換プロセスは固液界面で起こっており、それらの効率向上には反応機構の理解が不可欠です。反応機構を正しく理解するためには反応が起こっている溶液中のその場で測定を行い、情報を得ることが必須であり、固液界面プロセスをその場で評価することが可能な新しい測定技術の開発が日々進められています。
　X線光電子分光法（XPS）は、X線照射により物質表面に存在する元素を励起し、放出される光電子のエネルギーを分析することで、表面組成・表面種の酸化状態を非破壊的にかつ再現性よく評価できる手法です。X線照射で放出された光電子は電子分析器に到達するまでに、気体や液体における散乱によって、エネルギーを失ったり方向を変えたりしてしまいます。これを防ぐため、従来のXPS測定には真空が必要であり、溶液中で反応が進む材料の分析を行うことは不可能でした。そこで本研究では、従来、真空中でのみ可能であったXPS測定を応用し、電気化学条件下における固液界面プロセスをその場で評価できるシステムの構築を目的としました。

成果の内容
　図1に本研究で構築したその場XPS測定システムの概要を示します。厚さ15 nmのシリコン薄膜によって仕切られた小型の容器を作製し、この容器を水で満たした状態で真空中に導入します。薄膜の真空側からX線を照射し、薄膜と水の接触界面から放出された光電子を（薄膜を透かして）真空側から分析することによって、薄膜と水の接触界面で起こる電気化学反応をその場追跡しました。
　図2左図にさまざまな条件で測定したシリコン薄膜のXPSスペクトルを示します。シリコン薄膜に＋の電位を印加する事によって、104 eV付近のシリコン酸化膜（SiO₂）に由来するピーク強度の増加が観察されました。これは水との界面においてシリコン酸化膜が成長したことを意味しています。また、放出された光電子のエネルギーと、シリコンやシリコン酸化膜におけるシリコンの密度などに基づいて、各条件におけるシリコン酸化膜の厚さ変化をナノメートル以下のスケールで決定することに成功しました（図2右図）。

波及効果と今後の展開
　今日、エネルギー問題・環境問題への対策として、蓄電池、燃料電池、色素増感太陽電池、光触媒など多様なエネルギー変換システムの開発が進められています。これまでのナノテクノロジー研究の蓄積によって、サイズ・形状が原子レベルで制御された多種多様な機能性ナノ材料が合成可能となっており、その一部は実際にエネルギー変換システムの高効率化に貢献しています。こうした材料設計をさらに戦略的に進めるためには、性能評価から得られる経験的な知見に頼るのではなく、実動作環境における材料の性質や問題点を明らかにすることが重要です。
　X線光電子分光法は基礎研究だけでなく、半導体素子、電極、触媒、ポリマー、センサー、先端医療など幅広い産業分野において材料設計開発指針を得るために活用されてきました。本研究成果により、実動作中の材料の生きた情報を得られることで、副反応の有無や電極材料の劣化なども含めた電極反応の全体像をより正確に知ることができます。このことによって新規なエネルギー材料創出やデバイス開発に資する有益な情報をもたらすことが期待できます。たとえば、従来は困難であった界面の組成や状態の定量的な評価が可能となり、副反応や反応の生成物の特定によって電極や電解質の劣化の機構を解明することに役立つものと考えられます。

《用語解説》
（1）　X線光電子分光法
物質の表面にX線を照射すると原子の内部から電子が飛び出す現象を利用して、表面の元素とその酸化状態を分析する方法。

（2）　界面
気体、液体、固体といった異なる状態や異なる物質が互いに接する境界。例）固液界面は固体と液体の接触している界面。

（3）　電気化学反応
電極との電荷のやりとりを伴う化学反応であり、電池では2つの異なる電気化学反応を利用して物質から電力を取り出している。

（4）　その場追跡
デバイスが動作中の環境で材料の様子や反応の動的挙動を直接観察・測定すること。

（5）　光電子
光電効果（物質の表面に光が照射され、物質の表面から電子が外部に飛び出す現象）によって飛び出した電子。