次世代型ラマン分光原子間力顕微鏡で拓く金ナノ構造体上の原子レベル触媒反応機構解明

使用下一代拉曼光谱原子力显微镜阐明金纳米结构的原子级催化反应机制

• 批准号: 21J10356
• 负责人: 安達 有輝
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J10356/
• 关键词: 酸化チタン; 原子間力顕微鏡; 金ナノ構造体; 触媒反応

本研究目的は、「原子間力顕微鏡及び探針増強ラマンを用いて、反応ガスの振動状態や電荷状態が酸化チタン表面上の触媒機構にどのように影響するのか調べること」である。この目的達成のために、当該年度は、「酸化チタン表面に担持された金ナノ構造体に吸着する一酸化炭素分子の吸着状態や電荷状態を原子レベルで解明すること」と「探針増強ラマンと原子間力顕微鏡の融合装置の開発と最適観測条件の確立」を研究目的とした。その結果、酸化チタン表面上に吸着した一酸化炭素分子は下向き負の双極子モーメントを持ち、さらに一酸化炭素分子全体として負に帯電していることが実験からわかった。また、最も単純な金ナノ構造体として金原子を用い、金原子の帯電状態に依存した一酸化炭素分子の吸着状態の様子を調べた。その結果、金原子は三つの異なる電荷状態(正、負、中性)をもち、さらに、正と負に帯電した金原子のみ一酸化炭素の吸着に対して活性であることがわかった。これらの実験結果と第一原理計算による解析と触媒化学的な考察を加えて、金属酸化物上の触媒モデルの解明を原子レベルで行うことができた。最後に、探針増強ラマンと原子間力顕微鏡の融合と最適観測条件の確立に挑戦した。その結果、従来の振動分光法では、困難とされた原子スケールでかつ電子励起を防ぎながら、幅広い温度で、様々な反応ガスの活性状態を明らかにすることができる非接触原子間力顕微鏡と探針増強ラマン分光を融合した装置開発に成功した。

本研究的目的是利用原子力显微镜和尖端增强拉曼研究反应气体的振动状态和电荷状态如何影响二氧化钛表面的催化机制。为了实现这一目标，本财年我们的重点是“在原子水平上阐明二氧化钛表面支撑的金纳米结构上吸附的一氧化碳分子的吸附和电荷状态”和“尖端增强拉曼光谱”本研究的目的是开发原子力显微镜与原子力显微镜的融合装置，并建立最佳的观察条件。结果，实验发现，吸附在氧化钛表面的一氧化碳分子具有向下的负偶极矩，一氧化碳分子整体带负电。此外，使用金原子作为最简单的金纳米结构，我们研究了一氧化碳分子的吸附状态取决于金原子的电荷状态。结果表明，金原子具有三种不同的电荷状态（正电、负电和中性），并且只有带正电和负电的金原子对一氧化碳吸附具有活性。通过将这些实验结果与第一原理计算分析和催化化学考虑相结合，我们能够在原子水平上阐明金属氧化物的催化剂模型。最后，我们尝试整合尖端增强拉曼和原子力显微镜并建立最佳观察条件。因此，我们开发了一种非接触式原子力显微镜，可以在较宽的温度范围内揭示各种反应气体的活性状态，同时防止原子尺度上的电子激发，这是传统振动光谱学难以做到的。已成功开发出一种结合针增强拉曼光谱的装置。

项目成果

Electron dynamics of tip-tunable oxygen species on TiO2 surface

• DOI: 10.1038/s43246-021-00176-5
• 发表时间: 2021-07-01
• 期刊: COMMUNICATIONS MATERIALS
• 影响因子: 7.8
• 作者: Adachi, Yuuki;Brndiar, Jan;Kantorovich, Lev
• 通讯作者: Kantorovich, Lev

Probing CO on a rutile TiO2(110) surface using atomic force microscopy and Kelvin probe force microscopy

• DOI: 10.1007/s12274-021-3809-x
• 发表时间: 2021-09-25
• 期刊: NANO RESEARCH
• 影响因子: 9.9
• 作者: Adachi, Yuuki;Sugawara, Yasuhiro;Li, Yan Jun
• 通讯作者: Li, Yan Jun