JP2009250824A - Electrochemical infrared spectrometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極表面をその場(in situ)測定することができる電気化学赤外分光装置に関する。 The present invention relates to an electrochemical infrared spectrometer capable of measuring an electrode surface in situ.
赤外分光法による電極表面反応のその場測定は、電極表面上や電極表面近傍に存在する
化学種を検出・同定することで、電極反応機構の解明が可能となることから、電気化学の
発展に大きく貢献する技術として期待されている。
In-situ measurement of electrode surface reaction by infrared spectroscopy enables the elucidation of the electrode reaction mechanism by detecting and identifying the chemical species present on or near the electrode surface. It is expected as a technology that greatly contributes to
赤外分光によって電極表面反応をその場測定する方法としては、全反射吸収測定法(Attenuated‐Total‐Reflection;ATR)が挙げられる。全反射吸収測定法は、プリズムと金属薄膜とを密着させ、プリズムから金属薄膜を通じて電解液内部へわずかに染み出す光(エバネッセント波)の反射を測定するものである。全反射吸収測定法において、赤外光は電解液層内を通過しないので、電解液による赤外光の吸収が小さく、電解液層を厚くすることができる。 An example of a method for measuring the electrode surface reaction in situ by infrared spectroscopy is the total reflection absorption measurement (ATR). In the total reflection absorption measurement method, a prism and a metal thin film are brought into close contact with each other, and the reflection of light (evanescent wave) that leaks slightly from the prism through the metal thin film into the electrolyte is measured. In the total reflection absorption measurement method, infrared light does not pass through the electrolytic solution layer, so that absorption of infrared light by the electrolytic solution is small and the electrolytic solution layer can be thickened.
特許文献1は、全反射吸収測定法においてプリズムにおける赤外光の最大光路長が10mm以下となる寸法を有するものを用いることによって、プリズム自身による赤外光の吸収を抑制する技術を開示している。
また全反射プリズムを用いた測定においては、プリズム上に金属薄膜を蒸着しその上に試料を導入するクレツマン(Kretschmann)配置、及び全反射プリズムと金属板もしくは金属薄膜との微小空間に試料を挟むオットー(Otto)配置の、主に2種類の配置方法がよく知られている。クレツマン配置においては、光が金属薄膜を形成する金属微粒子に入射することにより、金属微粒子のプラズマ振動が励起され微粒子近傍に局所電場が形成される。また、オットー配置においては、全反射プリズム−金属薄膜間を一つの空洞と考えると、プリズム−金属間で全反射が繰り返され、光が空洞中に閉じ込められることにより干渉電場が励起される。この局在電場又は干渉電場によって、赤外吸収を増大させ、検出感度を向上させることが可能である。 In the measurement using a total reflection prism, a Kretschmann arrangement in which a metal thin film is deposited on the prism and a sample is introduced thereon, and the sample is sandwiched in a minute space between the total reflection prism and the metal plate or metal thin film. Two main types of arrangement methods of Otto arrangement are well known. In the Kletzmann arrangement, when light is incident on the metal fine particles forming the metal thin film, the plasma vibration of the metal fine particles is excited and a local electric field is formed in the vicinity of the fine particles. In the Otto arrangement, when the total reflection prism-metal thin film is considered as one cavity, total reflection is repeated between the prism and the metal, and the interference electric field is excited by confining light in the cavity. By this localized electric field or interference electric field, it is possible to increase infrared absorption and improve detection sensitivity.
特許文献2は、粘性もしくは液体の試料を金属中に担持できるように、網状金属または溝を形成した金属を全反射プリズム表面に設けることにより、局在電場及び干渉電場の両方を発生させ、金属に接した試料の赤外吸収をより増大させる技術を開示している。
In
しかし、特許文献1及び2において用いられている全反射吸収測定法においては、金属薄膜を透過した赤外線にて、金属薄膜と電解液との界面を観察するため、正確な情報を得にくい。また、電解質内部にわずかに染み出すエバネッセント波による全反射の変化を検出するため、高い感度の測定は期待できない。
However, in the total reflection absorption measurement method used in
このような全反射吸収測定法の問題点は、高感度赤外吸収反射法(Infrared Reflction Absorption Spectroscopy;IRAS)によって解決する。高感度赤外吸収反射法は、電極と電解液との界面に赤外光を入射、反射させ、反射光の強度を測定することにより、電極表面を観察するものである。
本発明は、高感度赤外吸収反射法において、より感度の高いその場測定を行うことができる電気化学赤外分光装置を提供することを目的とする。
Such problems of the total reflection absorption measurement method are solved by a highly sensitive infrared absorption reflection method (IRAS). In the high-sensitivity infrared absorption reflection method, infrared light is incident and reflected on the interface between the electrode and the electrolytic solution, and the intensity of the reflected light is measured to observe the electrode surface.
An object of the present invention is to provide an electrochemical infrared spectrometer capable of performing in-situ measurement with higher sensitivity in the high-sensitivity infrared absorption reflection method.
本発明の電気化学赤外分光装置は、作用電極と、当該作用電極と対をなす対電極と、当該作用電極の電位規定用の参照電極と、赤外光が入射される窓材とを有し、当該作用電極と当該窓材との間隙に電解液が存在し、前記窓材から直進した赤外光が全反射することなく前記電解液に入射し、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面に到達し、当該電極表面で反射し、検出器に到達することによって、電極表面からの赤外光の反射光強度をその場測定する電気化学赤外分光装置であって、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが平行ではないことを特徴とする。 The electrochemical infrared spectroscopic device of the present invention has a working electrode, a counter electrode paired with the working electrode, a reference electrode for regulating the potential of the working electrode, and a window material into which infrared light is incident. In addition, an electrolyte exists in the gap between the working electrode and the window material, and infrared light traveling straight from the window material enters the electrolyte without being totally reflected, and comes into contact with the electrolyte of the working electrode An electrochemical infrared spectroscopic apparatus that measures the reflected light intensity of infrared light from the electrode surface in situ by reaching the electrode surface, reflecting on the electrode surface, and reaching the detector, wherein the window material The surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution and the surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution are not parallel.
このような構成の電気化学赤外分光装置は、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが平行ではないため、前記窓材から直進し、全反射することなく電極表面に到達し、電極表面で反射した赤外光の方向が、前記窓材に入射し、前記窓材の前記電解液に接する面において全反射した赤外光の方向と異なることにより、前記作用電極表面で反射した赤外光のみを検出することができ、高い検出精度のその場測定が可能である。また、高感度赤外吸収反射法の従来知られている手法とは異なり、作用電極を窓材に強く押し付ける必要がない。さらに、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面との間に、電解液が比較的多量に存在することから、前記作用電極と前記対電極間での電解液の拡散が起こりやすいため電流密度分布が生じにくく、したがって、速い掃引速度による電気化学測定や、微小時間における電気化学測定が可能である。 In the electrochemical infrared spectroscopic device having such a configuration, since the surface of the window material that contacts the electrolyte solution and the electrode surface of the working electrode that contacts the electrolyte solution are not parallel, the window material advances straight from the window material, The direction of infrared light that reaches the electrode surface without being totally reflected and is reflected by the electrode surface is incident on the window material, and the direction of infrared light that is totally reflected on the surface of the window material that is in contact with the electrolyte solution; By being different, only infrared light reflected on the surface of the working electrode can be detected, and in-situ measurement with high detection accuracy is possible. Further, unlike the conventionally known technique of the high sensitivity infrared absorption reflection method, it is not necessary to strongly press the working electrode against the window material. Furthermore, since a relatively large amount of electrolyte exists between the surface of the window material that contacts the electrolyte and the surface of the working electrode that contacts the electrolyte, the gap between the working electrode and the counter electrode Therefore, the current density distribution is less likely to occur because of the diffusion of the electrolyte solution in the substrate. Therefore, electrochemical measurement at a high sweep rate and electrochemical measurement in a minute time are possible.
本発明の電気化学赤外分光装置は、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面に対して、前記窓材の前記電解液に接する面を傾けて設置することが好ましい。 It is preferable that the electrochemical infrared spectroscopic apparatus of the present invention is installed with the surface of the window material in contact with the electrolyte solution inclined with respect to the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolyte solution.
このような構成の電気化学赤外分光装置は、既に設置されている赤外光源及び赤外光検出器の位置や構成を変えること無く、前記窓材の前記電解液に接する面を傾けるだけで、前記作用電極表面で反射した赤外光のみを検出することができ、高い検出精度のその場測定が可能である。 The electrochemical infrared spectroscopic device having such a configuration can be obtained by simply tilting the surface of the window material in contact with the electrolytic solution without changing the position and configuration of the already installed infrared light source and infrared light detector. Only infrared light reflected from the surface of the working electrode can be detected, and in-situ measurement with high detection accuracy is possible.
本発明の電気化学赤外分光装置は、前記窓材が半球状又は半円柱状であり、前記窓材の凸面部から赤外光が入射することが好ましい。 In the electrochemical infrared spectrometer of the present invention, it is preferable that the window material is hemispherical or semi-cylindrical, and infrared light is incident from a convex surface portion of the window material.
このような構成の電気化学赤外分光装置は、赤外光のスポット径を、焦点をぼかさずに微小領域に絞り込むことができる。 The electrochemical infrared spectroscopic apparatus having such a configuration can narrow the spot diameter of infrared light to a minute region without defocusing.
本発明の電気化学赤外分光装置の一形態としては、前記窓材が六面体状であり、当該窓材の前記電解液に接する面と、当該窓材の前記電解液側と反対側の面とが平行ではないという構成をとることができる。 As one form of the electrochemical infrared spectroscopic device of the present invention, the window material has a hexahedral shape, a surface of the window material that contacts the electrolyte solution, and a surface of the window material opposite to the electrolyte solution side. Can be configured to be not parallel.
このような構成の電気化学赤外分光装置は、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面と、前記窓材の前記電解液側と反対側の面とを平行に設置することにより、自然と前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが平行ではない、ある一定の角度を持つという配置を容易にとることができる。 The electrochemical infrared spectroscopic device having such a configuration naturally installs the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution and the surface of the window material opposite to the electrolytic solution side in a natural manner. An arrangement in which the surface of the window material in contact with the electrolytic solution and the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution are not parallel and have a certain angle can be easily taken.
本発明の電気化学赤外分光装置は、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とのなす角度が、0.1〜5°であることが好ましい。 In the electrochemical infrared spectroscopic device of the present invention, an angle formed between a surface of the window material in contact with the electrolytic solution and an electrode surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution is 0.1 to 5 °. preferable.
このような構成の電気化学赤外分光装置は、前記作用電極の表面で反射した赤外光の強度が前記電解液による赤外吸収により弱まることが無く、且つ、前記作用電極表面で反射した赤外光のみを検出することができる。 The electrochemical infrared spectroscope having such a configuration is such that the intensity of infrared light reflected on the surface of the working electrode is not weakened by infrared absorption by the electrolytic solution, and the red light reflected on the surface of the working electrode is not affected. Only external light can be detected.
本発明によれば、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが平行ではないため、前記窓材から直進し、全反射することなく電極表面に到達し、電極表面で反射した赤外光の方向が、前記窓材に入射し、前記窓材の前記電解液に接する面において全反射した赤外光の方向と異なることにより、前記作用電極表面で反射した赤外光のみを検出することができ、高い検出精度のその場測定が可能である。また、高感度赤外吸収反射法の従来知られている手法とは異なり、作用電極を窓材に強く押し付ける必要がない。さらに、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面との間に、電解液が比較的多量に存在することから、前記作用電極と前記対電極間での電解液の拡散が起こりやすいため電流密度分布が生じにくく、したがって、速い掃引速度による電気化学測定や、微小時間における電気化学測定が可能である。 According to the present invention, since the surface of the window material that contacts the electrolyte solution and the electrode surface of the working electrode that contacts the electrolyte solution are not parallel, the electrode surface travels straight from the window material and does not undergo total reflection. The direction of the infrared light that has reached the electrode and reflected by the electrode surface is different from the direction of the infrared light that is incident on the window material and totally reflected on the surface of the window material that is in contact with the electrolyte solution. Only infrared light reflected on the surface can be detected, and in-situ measurement with high detection accuracy is possible. Further, unlike the conventionally known technique of the high sensitivity infrared absorption reflection method, it is not necessary to strongly press the working electrode against the window material. Furthermore, since a relatively large amount of electrolyte exists between the surface of the window material that contacts the electrolyte and the surface of the working electrode that contacts the electrolyte, the gap between the working electrode and the counter electrode Therefore, the current density distribution is less likely to occur because of the diffusion of the electrolyte solution in the substrate. Therefore, electrochemical measurement at a high sweep rate and electrochemical measurement in a minute time are possible.
本発明の電気化学赤外分光装置は、作用電極と、当該作用電極と対をなす対電極と、当該作用電極の電位規定用の参照電極と、赤外光が入射される窓材とを有し、当該作用電極と当該窓材との間隙に電解液が存在し、前記窓材から直進した赤外光が全反射することなく前記電解液に入射し、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面に到達し、当該電極表面で反射し、検出器に到達することによって、電極表面からの赤外光の反射光強度をその場測定する電気化学赤外分光装置であって、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが平行ではないことを特徴とする。 The electrochemical infrared spectroscopic device of the present invention has a working electrode, a counter electrode paired with the working electrode, a reference electrode for regulating the potential of the working electrode, and a window material into which infrared light is incident. In addition, an electrolyte exists in the gap between the working electrode and the window material, and infrared light traveling straight from the window material enters the electrolyte without being totally reflected, and comes into contact with the electrolyte of the working electrode An electrochemical infrared spectroscopic apparatus that measures the reflected light intensity of infrared light from the electrode surface in situ by reaching the electrode surface, reflecting on the electrode surface, and reaching the detector, wherein the window material The surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution and the surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution are not parallel.
作用電極とは、実際に電解液との電子の授受を行う電極である。特に本発明の場合には、電極反応における作用電極自体の表面の変化をその場測定する装置であるので、その目的に合った電極の材質の種類を選択することができる。たとえば、リチウムイオン二次電池における電極反応を測定したい場合には、LiCoO2、LiMnO4、LiNiO2、LiNi0.8Co0.2O2、Li(NiCoMn)O2等を用いることができる。
なお、作用電極の電解液に接する電極表面は予め研磨されていることが必要である。その理由は、本手法では赤外光が電極表面で反射するため、十分な反射率を得る必要があるからである。研磨の方法としては、バフ研磨、CMP等が挙げられる。
The working electrode is an electrode that actually exchanges electrons with the electrolytic solution. In particular, in the case of the present invention, since it is an apparatus that measures in situ changes in the surface of the working electrode itself in an electrode reaction, it is possible to select the type of electrode material suitable for the purpose. For example, when it is desired to measure an electrode reaction in a lithium ion secondary battery, LiCoO 2 , LiMnO 4 , LiNiO 2 , LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 , Li (NiCoMn) O 2 or the like can be used.
In addition, the electrode surface which contacts the electrolyte solution of a working electrode needs to be grind | polished beforehand. The reason is that, in this method, infrared light is reflected on the electrode surface, so that it is necessary to obtain a sufficient reflectance. Examples of the polishing method include buffing and CMP.
対電極とは、作用電極で発生するのと同じ電流値を系に返すための電極であり、作用電極よりも格段大きな表面積が必要とされる。具体的には、メッシュ状白金電極、コイル状白金電極、メッシュ状ニッケル電極、コイル状ニッケル電極、メッシュ状SUS電極、コイル状SUS電極、又はリチウムイオン二次電池用電解液中ではこれら電極にLi金属をはりつけた電極を用いることができる。 The counter electrode is an electrode for returning the same current value as that generated at the working electrode to the system, and requires a much larger surface area than the working electrode. Specifically, in a mesh platinum electrode, a coil platinum electrode, a mesh nickel electrode, a coil nickel electrode, a mesh SUS electrode, a coil SUS electrode, or an electrolyte for a lithium ion secondary battery, Li An electrode to which a metal is attached can be used.
参照電極とは、作用電極の電位を決定する際の基準となる電極である。飽和カロメル(水銀)電極(Hg/Hg2+)、銀電極(Ag/AgCl)、Li金属電極(リチウムイオン二次電池用電解液の場合)を用いることができる。 The reference electrode is an electrode that serves as a reference when determining the potential of the working electrode. A saturated calomel (mercury) electrode (Hg / Hg 2+ ), a silver electrode (Ag / AgCl), and a Li metal electrode (in the case of an electrolyte for a lithium ion secondary battery) can be used.
電解液は、基本的にどの溶媒も用いることができる。特に本発明の場合には、作用電極表面の変化を観察する装置であるので、溶媒の有する電位窓に依存せず測定を行うことができる。たとえば、リチウムイオン二次電池における電極反応を観察したい場合には、LiPF6溶液、LiBF4溶液を用いることができる。
また、測定対象によっては脱水・脱気が必要となる場合もある。
Basically, any solvent can be used as the electrolytic solution. In particular, in the case of the present invention, since it is an apparatus for observing changes in the surface of the working electrode, measurement can be performed without depending on the potential window of the solvent. For example, when it is desired to observe an electrode reaction in a lithium ion secondary battery, a LiPF 6 solution or a LiBF 4 solution can be used.
In addition, dehydration and deaeration may be necessary depending on the measurement target.
図1は、本発明の電気化学赤外分光装置における窓材、電解液及び作用電極の位置関係、並びに赤外光の経路を記した断面模式図である。窓材は半球状又は半円柱状のものを用いた例を示しており、赤外光は紙面上を走るものとする。また、実際には赤外光路は窓材の半円弧上の一点と、半円の中心近傍とを結ぶものであるが、図1では反射及び屈折の様子を分かりやすく示すため、実際とは赤外光路をずらして作図している。なお、半円柱状窓材を用いる場合は、当該半円柱状窓材の有する半円面が、紙面と平行になる向きで設置されるものとする。
作用電極の電解液に接する電極表面1aと半球状又は半円柱状窓材2の電解液3に接する面とのなす角度がθであるように、作用電極1及び前記窓材2が設置されている。前記電解液3は作用電極周囲、及び前記表面1aと前記窓材2との間隙に存在している。前記表面1aと、前記窓材2の前記電解液3側に接する面とは互いに接している必要はないが、接していても本発明の効果は損なわれない。
入射光4は前記窓材2と前記電解液3との界面において、角度θ1で前記電解液3へと入射し、角度θ2で屈折する。このとき、前記窓材2における全反射も同時に起き、その全反射角は入射角と同じθ1である。
角度θ2で屈折した赤外光は前記表面1aで反射した後、前記電解液3と前記窓材2との界面において、角度θ3で前記窓材2へと入射し、角度θ4で屈折した後、前記窓材2を出て、検出器において検出される。
このとき、反射光5は、前記窓材2の前記電解液3に接する面における法線から角度θ4で前記窓材2を出るのに対し、全反射光6は、前記窓材2の前記電解液3に接する面における法線から角度θ1で前記窓材2を出る。したがって、反射光5と全反射光6とは互いに異なる方向に進むことから、反射光5のみを検出することができる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the positional relationship of window materials, electrolytic solutions and working electrodes, and the path of infrared light in the electrochemical infrared spectroscopic apparatus of the present invention. The window material is an example using a hemispherical or semi-cylindrical shape, and the infrared light is assumed to run on the paper surface. In practice, the infrared light path connects one point on the semicircular arc of the window material and the vicinity of the center of the semicircle. In FIG. 1, the reflection and refraction are clearly shown. The outside light path is shifted and plotted. In addition, when using a semi-cylindrical window material, the semicircle surface which the said semi-cylindrical window material has shall be installed in the direction which becomes parallel to a paper surface.
The working
Infrared light refracted at an angle θ 2 is reflected by the
At this time, the reflected
図12は、高感度赤外吸収反射法の従来の手法を用いた電気化学赤外分光装置における窓材、電解液及び作用電極の位置関係、並びに赤外光の経路を記した断面模式図である。なお、図12においても図1同様、赤外光路をずらして作図している。
この従来の手法においては、作用電極の電解液に接する電極表面1aと、窓材である半球型又は半円柱型窓材2との間隙に電解液3が存在し、前記表面1aと、前記窓材2の電解液に接する面は平行である。この従来の手法の構成を用いると、入射光4が前記窓材2と前記電解液3との界面において、角度θ1で前記電解液3へと入射したとき、作用電極1における反射光7及び前記窓材2における全反射光8はいずれも、前記窓材2の前記電解液3に接する面における法線から角度θ1で前記窓材2を出る。したがって、反射光7及び全反射光8は同じ方向に進むことから、反射光7のみを検出することはできず、高い検出精度の観測は望めない。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the positional relationship between the window material, the electrolytic solution and the working electrode, and the path of the infrared light in the electrochemical infrared spectroscopic apparatus using the conventional method of the high sensitivity infrared absorption reflection method. is there. In FIG. 12, the infrared light path is shifted as in FIG.
In this conventional method, the
このように、本発明の電気化学赤外分光装置は、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが平行ではないため、前記窓材から直進し、全反射することなく電極表面に到達し、電極表面で反射した赤外光の方向が、前記窓材に入射し、前記窓材において全反射した赤外光の方向と異なることにより、前記作用電極表面で反射した赤外光のみを検出することができ、高い検出精度のその場測定が可能である。
また、高感度赤外吸収反射法の従来知られている手法においては、図12に示した様に作用電極表面における反射光と窓材における全反射光とが同時に検出されるため、作用電極表面からの反射光のスペクトルのみを効率よく得るためには、作用電極を窓材に強く押し付け、電解液がなす層の厚みをできるだけ薄くすることが必要不可欠であった。しかし本発明においては、上述した理由により作用電極表面における反射光のみを検出できるため、作用電極を窓材に強く押し付ける必要がない。
さらに、上述した作用電極を窓材に強く押し付ける従来法は、電解液がなす層の厚みが薄いため、作用電極の電解液に接する電極表面と対電極との間では電解液の拡散が起こりにくく、したがって作用電極の電解液に接する電極表面の中心部と端部で電流密度が異なるという、いわゆる電流密度分布が生じ易い構成であった。しかし、本発明においては前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面との間に、電解液が比較的多量に存在することから、前記作用電極と前記対電極間での電解液の拡散が起こりやすいため電流密度分布が生じにくく、したがって、速い掃引速度による電気化学測定や、微小時間における電気化学測定が可能である。
Thus, the electrochemical infrared spectroscopic device of the present invention is such that the surface of the window material in contact with the electrolyte solution and the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolyte solution are not parallel, and thus travels straight from the window material. The direction of the infrared light that reaches the electrode surface without being totally reflected and is reflected by the electrode surface is incident on the window material, and is different from the direction of the infrared light totally reflected on the window material, Only infrared light reflected on the surface of the working electrode can be detected, and in-situ measurement with high detection accuracy is possible.
In the conventionally known method of the high sensitivity infrared absorption reflection method, the reflected light on the surface of the working electrode and the total reflected light on the window material are detected simultaneously as shown in FIG. In order to obtain only the spectrum of the reflected light from the substrate efficiently, it is indispensable to press the working electrode strongly against the window material and to reduce the thickness of the layer formed by the electrolyte as much as possible. However, in the present invention, only the reflected light on the surface of the working electrode can be detected for the reason described above, and therefore it is not necessary to strongly press the working electrode against the window material.
Furthermore, in the conventional method of pressing the working electrode strongly against the window material, the thickness of the layer formed by the electrolytic solution is thin, so that the electrolytic solution is unlikely to diffuse between the electrode surface in contact with the electrolytic solution of the working electrode and the counter electrode. Therefore, a so-called current density distribution in which the current density is different between the central portion and the end portion of the electrode surface in contact with the electrolytic solution of the working electrode is likely to occur. However, in the present invention, a relatively large amount of electrolyte exists between the surface of the window material that contacts the electrolyte and the surface of the working electrode that contacts the electrolyte. Since the electrolyte solution easily diffuses between the counter electrodes, a current density distribution is unlikely to occur. Therefore, electrochemical measurement at a high sweep rate and electrochemical measurement in a minute time are possible.
図1に示したように、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面に対して、前記窓材の前記電解液に接する面を傾けて設置することが好ましい。これは、既に設置されている赤外光源及び赤外光検出器の位置や構成を変えること無く、前記窓材の前記電解液に接する面を傾けるだけで、前記作用電極表面で反射した赤外光のみを検出することができ、高い検出精度のその場測定が可能であるからである。 As shown in FIG. 1, it is preferable that the surface of the window material in contact with the electrolytic solution is inclined with respect to the surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution. This is because the infrared light reflected from the surface of the working electrode can be obtained by simply tilting the surface of the window material in contact with the electrolyte without changing the position or configuration of the infrared light source and infrared light detector that are already installed. This is because only light can be detected, and in-situ measurement with high detection accuracy is possible.
さらに、図1に示したように、前記窓材が半球状又は半円柱状であり、前記窓材の凸面部から赤外光が入射することが好ましい。これは、赤外光のスポット径を、焦点をぼかさずに微小領域に絞り込むことができるからである。 Furthermore, as shown in FIG. 1, it is preferable that the window material has a hemispherical shape or a semi-cylindrical shape, and infrared light is incident from a convex surface portion of the window material. This is because the spot diameter of infrared light can be narrowed down to a minute region without defocusing.
前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とのなす角度θが、0.1〜5°であるのが好ましい。
角度θが0.1°未満であると、本発明の効果である、前記作用電極表面で反射した赤外光のみの検出が行えず、検出精度を向上させることができない。また、0.1°未満の角度θを精密に制御することは、装置又は窓材の加工精度上限界がある。
角度θが5°を超えると、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面と前記窓材との間隙に存在する電解液の層が厚くなり過ぎるため、前記作用電極の表面で反射した赤外光の強度が前記電解液による赤外吸収により弱まり、期待される強度の赤外光を検出することができない。
なお、角度θは0.3°〜3°であるのがより好ましく、1°〜3°であるのが最も好ましい。
It is preferable that an angle θ formed by a surface of the window material in contact with the electrolytic solution and an electrode surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution is 0.1 to 5 °.
If the angle θ is less than 0.1 °, only the infrared light reflected by the surface of the working electrode, which is the effect of the present invention, cannot be detected, and the detection accuracy cannot be improved. Further, precisely controlling the angle θ of less than 0.1 ° has a limit on the processing accuracy of the apparatus or window material.
If the angle θ exceeds 5 °, the layer of the electrolyte present in the gap between the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolyte and the window material becomes too thick, so that the infrared light reflected on the surface of the working electrode is reflected. The intensity of light is weakened by infrared absorption by the electrolytic solution, and infrared light having the expected intensity cannot be detected.
The angle θ is more preferably 0.3 ° to 3 °, and most preferably 1 ° to 3 °.
図2は、本発明の電気化学赤外分光装置の一形態である、六面体状の窓材、電解液及び作用電極の位置関係、並びに赤外光の経路を記した断面模式図である。六面体状窓材には、当該窓材の前記電解液に接する面と、当該窓材の前記電解液側と反対側の面とが平行ではないものを用いている。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the positional relationship between a hexahedral window material, an electrolytic solution and a working electrode, and a path of infrared light, which is an embodiment of the electrochemical infrared spectrometer of the present invention. As the hexahedral window material, a window material in which the surface of the window material in contact with the electrolyte solution and the surface of the window material opposite to the electrolyte solution side are not parallel is used.
作用電極の電解液に接する電極表面11aと、六面体状窓材12の前記電解液側と反対側の面とが平行になるように、作用電極11と六面体状窓材12が設置されている。このとき、前記窓材12の前記電解液13に接する面と、前記窓材12の前記電解液13側と反対側の面とのなす角度をθとすると、前記表面11aと、前記窓材12の前記電解液13に接する面とのなす角度も自然とθに設定される。前記表面11aと、前記窓材12の前記電解液13側に接する面とは互いに接している必要はないが、接していても本発明の効果は損なわれない。
入射光14は前記窓材12と前記電解液13との界面において、角度θ5で前記電解液13へと入射し、角度θ6で屈折する。このとき、前記窓材12内への全反射も同時に起き、その全反射角は入射角と同じθ5である。
角度θ6で屈折した赤外光は前記表面11aで反射した後、前記電解液13と前記窓材12との界面において、角度θ7で前記窓材12へと入射し、角度θ8で屈折し、前記窓材12を出て、検出器において検出される。
このとき、反射光15は、前記窓材12の前記電解液13に接する面の法線から角度θ8で前記窓材12を出るのに対し、全反射光16は、前記窓材12の前記電解液13に接する面の法線から角度θ5で前記窓材12を出る。したがって、反射光15と全反射光16は互いに異なる方向に進むことから、反射光15のみを検出することができる。
The working
Infrared light refracted at an angle θ 6 is reflected by the
At this time, the reflected light 15 exits the
このように、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面と、前記窓材の前記電解液側と反対側の面とを平行に設置することにより、自然と前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが平行ではない、ある一定の角度を持つという配置を容易にとることができる。 Thus, the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolyte solution and the surface of the window material opposite to the electrolyte solution side are placed in parallel, so that the window material is naturally in contact with the electrolyte solution. An arrangement in which the surface and the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution are not parallel and has a certain angle can be easily taken.
図3は、本発明の電気化学赤外分光装置の一形態である、六面体状窓材を用いた際の、当該窓材の有する角度、電解液及び作用電極の位置関係、並びに赤外光の経路を記した断面模式図である。
図3に示すように、前記窓材の前記電解液側と反対側の面と、当該面と辺を共有する四つの面とのなす角度が、いずれも等しい角度αであるのが好ましい。これは、赤外光源から窓材への入射光と、窓材から出て検出器で検出される反射光が、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面に対して等しい角度を持って入射/反射することが好ましいからである。α=95°〜135°であるのがより好ましく、α=100°〜125°であるのが最も好ましい。
FIG. 3 shows the angle of the window material, the positional relationship between the electrolyte solution and the working electrode, and the infrared light when a hexahedral window material, which is an embodiment of the electrochemical infrared spectrometer of the present invention, is used. It is the cross-sectional schematic diagram which described the path | route.
As shown in FIG. 3, it is preferable that the angles formed by the surface of the window member on the side opposite to the electrolyte solution side and the four surfaces sharing the side with the surface are the same angle α. This is because the incident light from the infrared light source to the window material and the reflected light emitted from the window material and detected by the detector are incident at an equal angle with respect to the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolyte solution. This is because it is preferable to reflect. α = 95 ° to 135 ° is more preferable, and α = 100 ° to 125 ° is most preferable.
窓材の形状としては、上述した半球状及び半円柱状の他にも、四角錐(ピラミッド型)状、台形柱状等を用いることができる。また図3に示した断面模式図において、角度αが上述した条件を満たすものであるならば、窓材の形状は上述した六面体状には限られない。
窓材に用いる材料としては、高感度赤外吸収反射法で従来用いられている材料を用いることができ、例えば、CaF2、BaF2、MgF2、NaClなど、絶対屈折率が1.4〜1.5のものを用いるのが好ましい。
なお、窓材は赤外光が出入りする側面を光学研磨することが必要である。
As the shape of the window material, in addition to the above-described hemispherical shape and semicylindrical shape, a quadrangular pyramid shape, a trapezoidal column shape, or the like can be used. In the schematic cross-sectional view shown in FIG. 3, the shape of the window material is not limited to the hexahedral shape described above as long as the angle α satisfies the above-described conditions.
As the material used for the window material, materials conventionally used in the high-sensitivity infrared absorption reflection method can be used. For example, the absolute refractive index of CaF 2 , BaF 2 , MgF 2 , NaCl, etc. is 1.4 to It is preferable to use 1.5.
Note that the window material needs to be optically polished on the side where infrared light enters and exits.
本発明に係る作用電極の直径は1mmφ〜50mmφであるのが好ましい。これは、仮に直径が1mmφ未満であるとすると、作用電極の大きさが微小電極に近づく為、本来知りたい電気化学反応と律速段階が異なる可能性があり、また、直径が50mmφを超えるとすると、電極面内の電流分布が均一でなくなり、電位が一定とならないからである。なお、作用電極の直径は2mmφ〜30mmφであるのがより好ましく、3mmφ〜20mmφであるのが最も好ましい。 The working electrode according to the present invention preferably has a diameter of 1 mmφ to 50 mmφ. This is because if the diameter is less than 1 mmφ, the size of the working electrode approaches that of a microelectrode, so there is a possibility that the rate-determining stage is different from the electrochemical reaction originally desired, and if the diameter exceeds 50 mmφ. This is because the current distribution in the electrode surface is not uniform and the potential is not constant. In addition, the diameter of the working electrode is more preferably 2 mmφ to 30 mmφ, and most preferably 3 mmφ to 20 mmφ.
以下、本発明の典型例について、図を用いて詳細に説明する。図4は、本発明の典型例である電気化学赤外分光装置の構成を示した断面模式図であり、半球状窓材を用いた場合を示した図である。なお、図1乃至3で示した窓材と電解液との界面における赤外光の屈折は、装置全体のスケールからは無視できるほど小さいことから、図中では考慮しないこととした。 Hereinafter, typical examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an electrochemical infrared spectroscopic apparatus which is a typical example of the present invention, and shows a case where a hemispherical window material is used. Note that the refraction of infrared light at the interface between the window material and the electrolyte shown in FIGS. 1 to 3 is negligibly small from the scale of the entire apparatus, and thus is not considered in the drawings.
まず始めに、電気化学セルの組み立てを行う。当該セル内の作用電極21、対電極31、参照電極32の位置は、電気化学的条件や、測定に用いる光学系の位置に制約されるため、厳密に決定する必要がある。
これらの電極の位置を決定後、全面が光学研磨された半球状窓材22を、当該窓材22の電解液側の面が、作用電極の電解液に接する電極表面21aに対して角度θになるように傾けて設置する。このとき、セルの側面が予め当該窓材22を傾けて設置できるように設定されていることが好ましい。また、作用電極と対電極間での電解液の拡散を高めるために、前記表面21aと前記窓材22の電解液に接する面との距離が最も遠い側に対電極31が設置されている構成であるのが好ましい。さらに不活性雰囲気下で電気化学測定を行う場合には、セルの側面と前記窓材22との間にOリング35を組み込み、セル内の気密性を高める必要がある。前記窓材22の設置後、窓材設置台36と金具37によって当該窓材22を固定する。
前記窓材22の固定後、必要があればセル内を不活性ガスで置換した後、電解液を必要量加えて、上述した電極を、電極間の電位や電流値などが設定できる電気化学装置に接続することで、電気化学セルの組み立てが完了する。
First, the electrochemical cell is assembled. Since the positions of the working
After determining the positions of these electrodes, the
After fixing the
光学系は既存の赤外分光装置を用いることができる。図4に示した光学系はその概略であり、実際には図示したよりも複雑な構成であっても構わない。
なお赤外分光装置としては、フーリエ変換型赤外分光光度計(FT‐IR)、分散型赤外分光光度計などを用いることができるが、高感度の分析が可能で、且つ数秒単位で分析でき、さらに波数精度及び波数再現性が良いことから、FT‐IRを用いることが好ましい。
An existing infrared spectrometer can be used as the optical system. The optical system shown in FIG. 4 is an outline thereof, and may actually have a more complicated configuration than shown.
As the infrared spectrometer, a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR), a dispersive infrared spectrophotometer, or the like can be used. However, highly sensitive analysis is possible and analysis is performed in units of several seconds. In addition, it is preferable to use FT-IR because the wave number accuracy and wave number reproducibility are good.
測定方法は以下の通りである。光源から出た赤外光24は凹面鏡33によって集光された後、半球状窓材22に入射する。以下、作用電極の電解液に接する電極表面21aに赤外光が反射し、半球状窓材22から反射光25が射出されるまでの経緯は図1に示した通りである。当該反射光25と、前記窓材22の電解液23に接する面で全反射した全反射光26とは、それぞれ互いに異なる方向に射出されることから、前記反射光25のみを凹面鏡34によって集光することができる。集光された前記反射光25は、検出器で検出され、高速フーリエ変換を行うことで、望むスペクトルを得ることができる。
The measuring method is as follows. The
以下、本発明の変形例について、図を用いて説明する。図5は、本発明の変形例である電気化学赤外分光装置の構成を示した断面模式図であり、六面体状窓材を用いた場合を示した図である。なお図4同様に、窓材と電解液との界面における赤外光の屈折は図中では考慮しないこととした。
図5に示す電気化学赤外分光装置の構成は、図4に示した典型例の半球状窓材22を、少なくとも赤外光が出入りする面が光学研磨された六面体状窓材42に置き換えた構成である。典型例で用いた半球状窓材22とは異なり、六面体状窓材42は予め測定できる角度θが決められていることから、設定したい角度θごとに測定に適した前記窓材42を準備する必要がある。また、窓材設置台36と金具37によって前記窓材42を固定する際に、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面と、前記窓材42の前記電解液側と反対側の面とが平行になるように設置する必要がある。
光学系及び測定方法は、上述した典型例と同様である。
Hereinafter, modifications of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an electrochemical infrared spectrometer that is a modification of the present invention, and is a view showing a case where a hexahedral window material is used. As in FIG. 4, the refraction of infrared light at the interface between the window material and the electrolytic solution is not considered in the figure.
In the configuration of the electrochemical infrared spectroscopic device shown in FIG. 5, the
The optical system and the measurement method are the same as the above-described typical example.
このような構成の電気化学赤外分光装置は、窓材の電解液に接する面と、作用電極の電解液に接する電極表面とが平行ではないため、前記窓材から直進し、全反射することなく電極表面に到達し、電極表面で反射した赤外光の方向が、前記窓材に入射し、前記窓材の前記電解液に接する面において全反射した赤外光の方向と異なることにより、前記作用電極表面で反射した赤外光のみを検出することができ、高い検出精度のその場測定が可能である。また、高感度赤外吸収反射法の従来知られている手法とは異なり、前記作用電極を窓材に強く押し付ける必要がない。さらに、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面との間に、電解液が比較的多量に存在することから、前記作用電極と対電極間での電解液の拡散が起こりやすいため電流密度分布が生じにくく、したがって、速い掃引速度による電気化学測定や、微小時間における電気化学測定が可能である。
また、既に設置されている赤外光源、赤外光検出器の位置や構成を変えること無く、前記窓材の前記電解液に接する面を傾けるだけで、前記作用電極表面で反射した赤外光のみを検出することができ、高い検出精度のその場測定が可能である。
さらに、前記窓材が半球状又は半円柱状であることによって、赤外光のスポット径を、焦点をぼかさずに微小領域に絞り込むことができる。
そして、前記窓材が上述したような六面体状であることによって、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面と、前記窓材の前記電解液側と反対側の面とを平行に設置することにより、自然と前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが平行ではない、ある一定の角度を持つという配置を容易にとることができる。
また、前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが上述したような適切な角度をなすことにより、前記作用電極の表面で反射した赤外光の強度が前記電解液による赤外吸収により弱まることが無く、且つ、前記作用電極表面で反射した赤外光のみを検出することができる。
The electrochemical infrared spectroscopic device having such a configuration is such that the surface of the window material that contacts the electrolyte and the electrode surface of the working electrode that contacts the electrolyte are not parallel, and thus travels straight from the window material and is totally reflected. Without reaching the electrode surface, the direction of infrared light reflected on the electrode surface is incident on the window material, and is different from the direction of infrared light totally reflected on the surface of the window material in contact with the electrolyte solution, Only infrared light reflected on the surface of the working electrode can be detected, and in-situ measurement with high detection accuracy is possible. Further, unlike the conventionally known technique of the high sensitivity infrared absorption reflection method, it is not necessary to strongly press the working electrode against the window material. Furthermore, since a relatively large amount of electrolyte exists between the surface of the window material in contact with the electrolyte and the surface of the working electrode in contact with the electrolyte, between the working electrode and the counter electrode Therefore, the current density distribution is less likely to occur. Therefore, electrochemical measurement at a high sweep rate and electrochemical measurement in a minute time are possible.
In addition, the infrared light reflected on the surface of the working electrode can be obtained simply by tilting the surface of the window material in contact with the electrolytic solution without changing the position and configuration of the infrared light source and infrared light detector that are already installed. In-situ measurement with high detection accuracy is possible.
Furthermore, since the window material has a hemispherical shape or a semicylindrical shape, the spot diameter of infrared light can be narrowed down to a minute region without blurring the focal point.
The window material is hexahedral as described above, so that the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolyte solution and the surface of the window material opposite to the electrolyte solution side are installed in parallel. Accordingly, it is possible to easily take an arrangement in which the surface of the window material in contact with the electrolyte solution and the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolyte solution are not parallel and have a certain angle.
In addition, the infrared light reflected on the surface of the working electrode is formed by forming an appropriate angle as described above between the surface of the window material in contact with the electrolytic solution and the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution. Is not weakened by infrared absorption by the electrolytic solution, and only infrared light reflected on the surface of the working electrode can be detected.
1.作用電極表面のその場測定
上述した典型例(図4)の電気化学赤外分光装置の構成を用いて、作用電極表面のその場FT‐IR測定を行った。電気化学セル条件、電気化学装置条件及び測定条件は以下の通りである。
1. In-situ measurement of working electrode surface In-situ FT-IR measurement of the working electrode surface was performed using the configuration of the electrochemical infrared spectroscopic apparatus of the above-described typical example (FIG. 4). Electrochemical cell conditions, electrochemical apparatus conditions, and measurement conditions are as follows.
[実施例1]
(電気化学セル条件)
作用電極:LiCoO2薄膜(Au基板上)
作用電極の直径:15mmφ
対電極:Li金属
参照電極:Li金属
電解液:LiPF6溶液(1M、EC:DEC=1:1(vol/vol))
窓材:BaF2(半球状窓材)、研磨精度高
角度θ:1°
備考:なし
(電気化学装置条件)
開回路電位、3時間放置後FT−IR測定。
(FT‐IR測定条件)
測定データ種類:シングルビームスペクトル
積算回数:100回
分解能:8cm−1
偏光:p偏光
[Example 1]
(Electrochemical cell conditions)
Working electrode: LiCoO 2 thin film (on Au substrate)
Working electrode diameter: 15mmφ
Counter electrode: Li metal Reference electrode: Li metal Electrolyte: LiPF 6 solution (1M, EC: DEC = 1: 1 (vol / vol))
Window material: BaF 2 (semispherical window material), high polishing accuracy Angle θ: 1 °
Remarks: None (Electrochemical equipment conditions)
Open circuit potential, FT-IR measurement after standing for 3 hours.
(FT-IR measurement conditions)
Measurement data type: Single beam spectrum Integration count: 100 times Resolution: 8 cm -1
Polarized light: p-polarized light
[実施例2]
(電気化学セル条件)
角度θ:3°
備考:なし
その他の電気化学セル条件、電気化学装置条件及びFT‐IR測定条件は実施例1と同一である。
[Example 2]
(Electrochemical cell conditions)
Angle θ: 3 °
Remarks: None Other electrochemical cell conditions, electrochemical apparatus conditions, and FT-IR measurement conditions are the same as in Example 1.
[比較例1]
(電気化学セル条件)
角度θ:0°
備考:作用電極を窓材に強く押し付け、作用電極と窓材間の間隙をできる限り無くした。
その他の電気化学セル条件、電気化学装置条件及びFT‐IR測定条件は実施例1と同一である。
[Comparative Example 1]
(Electrochemical cell conditions)
Angle θ: 0 °
Remarks: The working electrode was strongly pressed against the window material to eliminate as much as possible the gap between the working electrode and the window material.
Other electrochemical cell conditions, electrochemical apparatus conditions, and FT-IR measurement conditions are the same as in Example 1.
[比較例2]
(電気化学セル条件)
角度θ:0°
備考:作用電極‐窓材間の赤外光路以外の部分に、厚さ0.1mmのポリプロピレン微多孔膜を1枚挟んだ。
その他の電気化学セル条件、電気化学装置条件及びFT‐IR測定条件は実施例1と同一である。
[Comparative Example 2]
(Electrochemical cell conditions)
Angle θ: 0 °
Remarks: One polypropylene microporous film having a thickness of 0.1 mm was sandwiched between portions other than the infrared light path between the working electrode and the window material.
Other electrochemical cell conditions, electrochemical apparatus conditions, and FT-IR measurement conditions are the same as in Example 1.
[比較例3]
(電気化学セル条件)
角度θ:0°
備考:作用電極‐窓材間の赤外光路以外の部分に、厚さ0.1mmのポリプロピレン微多孔膜を2枚挟んだ。
その他の電気化学セル条件、電気化学装置条件及びFT‐IR測定条件は実施例1と同一である。
[Comparative Example 3]
(Electrochemical cell conditions)
Angle θ: 0 °
Remarks: Two polypropylene microporous films having a thickness of 0.1 mm were sandwiched between portions other than the infrared light path between the working electrode and the window material.
Other electrochemical cell conditions, electrochemical apparatus conditions, and FT-IR measurement conditions are the same as in Example 1.
[比較例4]
(電気化学セル条件)
角度θ:0°
備考:作用電極‐窓材間を5mm空けた。
その他の電気化学セル条件、電気化学装置条件及びFT‐IR測定条件は実施例1と同一である。
[Comparative Example 4]
(Electrochemical cell conditions)
Angle θ: 0 °
Remarks: A space of 5 mm was provided between the working electrode and the window material.
Other electrochemical cell conditions, electrochemical apparatus conditions, and FT-IR measurement conditions are the same as in Example 1.
2.測定結果の考察
図6乃至11は、実施例1及び2並びに比較例1乃至4のFT‐IR測定結果をそれぞれ示した図である。
比較例1(θ=0°)では、作用電極を窓材に強く押し付け、作用電極と窓材間の間隙をできる限り無くしているため、当該間隙に入り込む電解液の層は極めて薄く、電解液による作用電極からの反射光の吸収はほとんど起こることがない。したがって、作用電極からの反射光の強度は、窓材における全反射光の強度よりも強くなる。θ=0°であるため作用電極からの反射光と窓材における全反射光はどちらも検出器に到達するが、実際に現れるスペクトルの形状は、強度が強い作用電極からの反射光のスペクトルの形状である。よって、比較例1(θ=0°)の結果を示す図8は、作用電極からの反射光のスペクトルである。しかし、上述したように、この比較例1の構成においては電流密度分布が生じ易く、したがって速い掃引速度による電気化学測定や、微小時間における電気化学測定が不可能であった。
実施例1(θ=1°)の結果を示す図6、及び実施例2(θ=3°)の結果を示す図7は、比較例1(θ=0°)の結果を示す図8とほぼ同一のスペクトル形状を示しており、したがって、作用電極‐窓材間の間隙に電解液が存在していても、窓材を傾けて設置することによって、良好なその場測定FT‐IRスペクトルを得ることができることを示している。
一方、比較例4(作用電極‐窓材間を5mm空けた)の結果を示す図11は、図6乃至8とは全く異なるスペクトル形状を示している。これは、作用電極‐窓材間の5mmの間隙に存在する電解液によって、作用電極からの反射光が吸収されたため検出器には到達せず、代わりに窓材における全反射光のみが検出器に到達したことを示している。したがって、図11は窓材に用いられたBaF2の吸収スペクトルである。
また、比較例2又は3のように、作用電極‐窓材間の赤外光路以外の部分に、リチウム電池用のセパレータとして通常用いられるポリプロピレン微多孔膜を挟んだ場合は、図9又は図10に示すように、スペクトル形状が図6乃至8のものとは異なっている。これはすなわち、θ=0°の場合に、作用電極‐窓材間に1mm以上の厚さの電解液の層を設けることによって、作用電極からの反射光が電解液に吸収されて強度が弱まり、窓材からの全反射光の強度がより強くなることによって、反射光のスペクトルの良好な検出が不可能になってしまうことを示している。
2. Consideration of Measurement Results FIGS. 6 to 11 are diagrams showing the FT-IR measurement results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4, respectively.
In Comparative Example 1 (θ = 0 °), the working electrode is strongly pressed against the window material and the gap between the working electrode and the window material is eliminated as much as possible. Therefore, the electrolyte layer entering the gap is extremely thin, and the electrolyte solution Absorption of the reflected light from the working electrode due to is hardly caused. Therefore, the intensity of the reflected light from the working electrode is higher than the intensity of the totally reflected light in the window material. Since θ = 0 °, both the reflected light from the working electrode and the total reflected light on the window material reach the detector, but the shape of the spectrum that actually appears is the spectrum of the reflected light from the working electrode with high intensity. Shape. Therefore, FIG. 8 showing the result of Comparative Example 1 (θ = 0 °) is a spectrum of the reflected light from the working electrode. However, as described above, in the configuration of Comparative Example 1, a current density distribution is likely to occur, and therefore electrochemical measurement at a high sweep rate and electrochemical measurement in a minute time are impossible.
6 showing the results of Example 1 (θ = 1 °) and FIG. 7 showing the results of Example 2 (θ = 3 °) are shown in FIG. 8 showing the results of Comparative Example 1 (θ = 0 °). It shows almost the same spectrum shape. Therefore, even if the electrolyte exists in the gap between the working electrode and the window material, a good in situ measurement FT-IR spectrum can be obtained by tilting the window material. It shows that you can get.
On the other hand, FIG. 11 showing the result of Comparative Example 4 (with a space of 5 mm between the working electrode and the window material) shows a spectrum shape completely different from that of FIGS. This is because the reflected light from the working electrode is absorbed by the electrolyte present in the gap of 5 mm between the working electrode and the window material, so it does not reach the detector, but instead only the total reflected light from the window material is detected. Indicates that Therefore, FIG. 11 is an absorption spectrum of BaF 2 used for the window material.
Further, as in Comparative Example 2 or 3, in the case where a polypropylene microporous film usually used as a separator for a lithium battery is sandwiched between portions other than the infrared light path between the working electrode and the window material, FIG. 9 or FIG. As shown in FIG. 6, the spectrum shape is different from that of FIGS. In other words, when θ = 0 °, by providing a layer of an electrolytic solution having a thickness of 1 mm or more between the working electrode and the window material, the reflected light from the working electrode is absorbed by the electrolytic solution and the strength is reduced. This shows that when the intensity of the totally reflected light from the window material becomes stronger, the spectrum of the reflected light cannot be detected well.
3.まとめ
本実施例から、本発明の電気化学赤外分光装置においては、作用電極‐窓材間の間隙に電解液が存在していても、窓材を作用電極表面に対して傾けて設置することによって、窓材からの全反射光の影響を受けること無く、良好なその場測定FT‐IRスペクトルを得られることが明らかとなった。
3. Summary From this example, in the electrochemical infrared spectroscopic device of the present invention, the window material should be inclined with respect to the surface of the working electrode even if an electrolyte exists in the gap between the working electrode and the window material. Thus, it was clarified that a good in-situ measured FT-IR spectrum can be obtained without being affected by the total reflection light from the window material.
1…作用電極
1a…作用電極の電解液に接する電極表面
2…半球状又は半円柱状窓材
3…電解液
4…入射光
5…反射光
6…全反射光
7…反射光
8…全反射光
11…作用電極
11a…作用電極の電解液に接する電極表面
12…六面体状窓材
13…電解液
14…入射光
15…反射光
16…全反射光
21…作用電極
21a…作用電極の電解液に接する電極表面
22…半球状窓材
23…電解液
24…入射光
25…反射光
26…全反射光
31…対電極
32…参照電極
33,34…凹面鏡
35…Oリング
36…窓材設置台
37…金具
42…六面体状窓材
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記窓材の前記電解液に接する面と、前記作用電極の前記電解液に接する電極表面とが平行ではないことを特徴とする、電気化学赤外分光装置。 A working electrode; a counter electrode that forms a pair with the working electrode; a reference electrode for regulating the potential of the working electrode; and a window member into which infrared light is incident. The working electrode and the window member Electrolytic solution exists in the gap, and the infrared light traveling straight from the window material enters the electrolytic solution without being totally reflected, reaches the electrode surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution, and is reflected by the electrode surface An electrochemical infrared spectroscopic apparatus that measures the reflected light intensity of infrared light from the electrode surface in situ by reaching the detector,
The electrochemical infrared spectroscopic apparatus characterized in that a surface of the window material in contact with the electrolytic solution and an electrode surface of the working electrode in contact with the electrolytic solution are not parallel.
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-
2008
- 2008-04-08 JP JP2008100216A patent/JP2009250824A/en active Pending
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