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。

这项研究的目的是“检查反应物气体的振动和电荷状态如何使用原子力显微镜和探针增强的拉曼影响氧化钛表面上的催化机理”。为了实现这一目标，研究了当前的财政年度，以“阐明一氧化碳分子的吸附和电荷状态吸附在氧化钛表面上的金纳米结构上，并在原子水平上”开发了一种用于探测探针增强的拉曼和原子质力量显微镜和建立最佳的探针的设备。结果，从实验中发现，一氧化碳分子吸附在氧化钛表面上的偶极偶极力矩，整个碳一氧化碳分子的电荷为负电荷。此外，金原子被用作最简单的金纳米结构，并研究了一氧化碳分子的吸附状态，具体取决于金原子的电荷状态。结果表明，黄金原子具有三种不同的电荷状态（正，阴性，中性），并且只有阳性和负电荷的金原子对一氧化碳的吸附有效。通过添加这些实验结果，使用第一原理计算和催化化学考虑因素进行分析，我们能够在原子水平上阐明金属氧化物上的催化剂模型。最后，我们挑战了探测增强的拉曼和原子力显微镜的融合，并确定了最佳观察条件。结果，我们成功地开发了一种将非接触原子力显微镜与探测增强的拉曼光谱结合的设备，该设备可以在广泛的温度下揭示各种反应性气体的主动状态，同时预防电子激发，这在常规振动光谱方面被认为很难。

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