利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2026.02.26】【最終更新日：2026.02.26】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23UT0202

利用課題名 / Title

Li電池正極材料を触媒に用いた水電解における酸素生成反応の定量評価

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Univ. of Tokyo

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

ARIM半導体基盤PF関連課題 / Related to ARIM-SETI

指定なし/No Designation

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

電極材料/ Electrode material,エネルギー貯蔵/ Energy storage,電子分光/ Electron spectroscopy

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

畑上絢太郎

所属名 / Affiliation

東京大学　大学院理学系研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes

沖津康平

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-308：多機能走査型X線光電子分光分析装置(XPS)with AES

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

水の電気分解において、酸素発生反応における過電圧が低く、安価で貴金属を用いない触媒材料の開発は重要な課題である。安価な遷移金属で構成される触媒材料の候補として、LiNi_0.5Mn_1.5O₄(LNMO)がある。これまでに、粉末を利用したLNMOの酸素発生反応の触媒活性の評価がなされてきたが、薄膜を利用した酸素発生反応における触媒活性の定量研究の報告はない。そこで本研究では、結晶方位や反応面積を規定できるLNMOエピタキシャル薄膜を活用し、酸素発生反応の触媒活性の定量評価を行っている。酸素生成反応を通して表面の遷移金属元素と酸素原子に起こる変化を捉えることを目的として、X線光電子分光(XPS)測定を実施する。

実験 / Experimental

Al₂O₃(0001)基板上に接着層としてTi、集電体としてAu薄膜を直流スパッタリング法で作製し、その上にLNMOを高周波マグネトロンスパッタリング法で厚さ120 nmとなるよう製膜した。作製したLNMO/Au/Ti/Al₂O₃(0001)電極を作用極、白金コイルを対極、銀/塩化銀電極を参照極とする三電極系電気化学セルでLNMOの酸素生成活性を評価した。酸素生成前後のLNMO薄膜について、XPS測定を行い、Ni及びMnの化学状態変化を観察した。

結果と考察 / Results and Discussion

Figure 1に酸素生成前後のXPS測定結果を示す。左側の図がMn2p、右側の図がNi2p 3/2のスペクトルである。
　Mn 2pのスペクトルには653.5 eV、641.8 eVの2つのピークと、636.4 eVを中心とする裾状の広がりが見られた。2つのピークはそれぞれMn 2p1/2、Mn 2p3/2に該当する[1]。また~636 eVで見られる低結合エネルギー側の裾の広がりは、低価数のMn²⁺と思われる[2]。OER前後において、これらのピークと裾構造は、ピーク位置及び相対的なピーク面積の両者ともに変化せず、安定に存在していた。
　Ni 2p3/2のスペクトルは、861.2 eV、856.0 eV、854.8 eVの３つのピークから構成される。それぞれシェイクアップ過程のサテライト、Ni³⁺ [3]、Ni²⁺由来のピークにアサインされる。LNMOにおいてNiは形式電荷が2+であるにもかかわらず、高価数であるNi³⁺の存在が確認された。また、NiにおいてもMn同様に、OER前後においてピーク位置及び相対的なピーク面積に変化はなかった。このことから、LNMO表面におけるNi³⁺の存在が良好なOER活性に寄与したと推察される

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Figure 1. XPS spectra of Mn 2p and Ni 2p 3/2 in LiNi_0.5Mn_1.5O₄ thin-film before and after the oxygen evolution reaction.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

[1] T. Qiu et al., Electrochimica Acta 2014, 147, 626. [2] Y. Chen et al., J. Alloy. Comp. 2020, 832, 154936. [3] Y. Sun et al., Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003755.

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

Kentaro Hatagami, Quantitative study of oxygen evolution reaction using LiNi0.5Mn1.5O4 thin-film electrodes, Journal of Applied Physics, 135, (2024).
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0203381

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

"Quantitative study of oxygen evolution reaction using LiNi0.5Mn1.5O4 thin-film electrodes” Kentaro Hatagami, Kazunori Nishio, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi. In preparation
“Recovering the oxygen evolution reaction activity in LiNi0.5Mn1.5O4 (111) thin-film electrocatalyst for water splitting” Kentaro Hatagami, Kazunori Nishio, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi MRM2023 Dec.11-16, 2023, Kyoto, Japan (Oral).
“Low-potential-application-induced activity recovery observed in LiNi0.5Mn1.5O4(111) thin film catalysts for oxygen evolution reaction” Kentaro Hatagami, Kazunori Nishio, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi 2023年日本表面真空学会学術講演会　2023年10月31日-11月2日、名古屋国際会議場

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件