Study of reactions and active-sites on atomically-controlled catalysts by operando spectroscopy

• Project Area: 3D Active-Site Science
• Project/Area Number: 17H05212
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 吉信 淳 東京大学, 物性研究所, 教授 (50202403)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2018: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2017: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 表面 / 分光 / 触媒 / 電界効果トランジスタ / 表面反応 / オペランド分光 / 合金 / プラチナ / グラフェン / 担持 / 光電子分光 / 有機FET / 移動度 / 活性サイト

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、表面分光（光電子分光および赤外分光）や局所プローブ顕微鏡を用いて、原子レベルで制御されたモデル触媒の電子状態・化学状態や表面反応を研究した。具体的な研究対象は、郷原グループにより作製されたグラフェンに担持された次元とサイズが規定されたPt触媒、本研究室でCu単結晶表面に作製したモデル合金触媒の化学状態と表面反応、水素透過Pd合金表面における水素の吸着・吸蔵過程である。また、山田グループが合成した新規有機分子の薄膜電界効果トランジスタ(FET)特性や、本研究室で作製した有機単分子層FET特性に対する気体曝露効果を、独立駆動４探針電気伝導装置を用いて研究した。
これらの研究成果の学術的・社会的意義は以下の通りである。
（１）希少貴金属であるPtの単原子およびクラスターがグラフェンに担持された時の化学状態と局所構造を電子顕微鏡、XPS、第一原理計算により解明した。さらに、加熱による還元とシンタリング過程をXPSで明らかにした。（２）温室効果ガスの一つである二酸化炭素の水素化によるメタノール合成反応の重要なステップであるフォルメートの水素化を単原子合金触媒Pd/Cuを用いて低温で達成することに成功した。（３）水素透過合金膜として工業的に利用されているPdAg合金およびPdCu合金への水素の吸着・吸蔵と、その過程に伴う表面組成の関係を解明した。（４）雰囲気光電子分光を用いて、Zn修飾Cuモデル触媒におけるCO2の水素化反応を調べ、微量の水がフォルメート生成に重要であることを見出した。（５）有機単分子層FET特性は気体曝露に非常に敏感で、ドメイン境界への分子の物理吸着が電気伝導を妨げていることを明らかにした。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Hydrogen adsorption and absorption on a Pd-Ag alloy surface studied using in-situ X-ray photoelectron spectroscopy under ultrahigh vacuum and ambient pressure (2019)
  • Author(s): Tang Jiayi、Yamamoto Susumu、Koitaya Takanori、Yoshikura Yuki、Mukai Kozo、Yoshimoto Shinya、Matsuda Iwao、Yoshinobu Jun
  • Journal Title: Applied Surface Science Volume: 463 Pages: 1161-1167
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.07.078
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mass transport in the PdCu phase structures during hydrogen adsorption and absorption studied by XPS under hydrogen atmosphere (2019)
  • Author(s): Tang Jiayi、Yamamoto Susumu、Koitaya Takanori、Yoshigoe Akitaka、Tokunaga Takuma、Mukai Kozo、Matsuda Iwao、Yoshinobu Jun
  • Journal Title: Applied Surface Science Volume: 480 Pages: 419-426
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.02.180
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CO2 Activation and Reaction on Zn-Deposited Cu Surfaces Studied by Ambient-Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy (2019)
  • Author(s): Koitaya Takanori、Yamamoto Susumu、Shiozawa Yuichiro、Yoshikura Yuki、Hasegawa Masahiro、Tang Jiayi、Takeuchi Kaori、Mukai Kozo、Yoshimoto Shinya、Matsuda Iwao、Yoshinobu Jun
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 9 Issue: 5 Pages: 4539-4550
  • DOI: 10.1021/acscatal.9b00041
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Initial gas exposure effects on monolayer pentacene field-effect transistor studied using four gallium indium probes (2018)
  • Author(s): Yoshimoto Shinya、Miyahara Ryosuke、Yoshikura Yuki、Tang Jiayi、Mukai Kozo、Yoshinobu Jun
  • Journal Title: Organic Electronics Volume: 54 Pages: 34-39
  • DOI: 10.1016/j.orgel.2017.12.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic Structure and Local Electronic States of Single Pt Atoms Dispersed on Graphene (2018)
  • Author(s): Yamazaki Kenji、Maehara Yosuke、Lee Chi-Cheng、Yoshinobu Jun、Ozaki Taisuke、Gohara Kazutoshi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 122 Issue: 48 Pages: 27292-27300
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b04529
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Ethynylene-Bridged Pentacene Dimer: Two-Step Synthesis and Charge-Transport Properties (2018)
  • Author(s): Kawano Koki、Hayashi Hironobu、Yoshimoto Shinya、Aratani Naoki、Suzuki Mitsuharu、Yoshinobu Jun、Yamada Hiroko
  • Journal Title: Chemistry - A European Journal Volume: 24 Issue: 56 Pages: 14916-14920
  • DOI: 10.1002/chem.201803002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancement of CO2 adsorption on oxygen-functionalized epitaxial graphene surface under near-ambient conditions (2018)
  • Author(s): Yamamoto Susumu、Takeuchi Kaori、Hamamoto Yuji、Liu Ro-Ya、Shiozawa Yuichiro、Koitaya Takanori、Someya Takashi、Tashima Keiichiro、Fukidome Hirokazu、Mukai Kozo、Yoshimoto Shinya、Suemitsu Maki、Morikawa Yoshitada、Yoshinobu Jun、Matsuda Iwao
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Issue: 29 Pages: 19532-19538
  • DOI: 10.1039/c8cp03251c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Systematic Study of Adsorption and the Reaction of Methanol on Three Model Catalysts: Cu(111), Zn?Cu(111), and Oxidized Zn?Cu(111) (2017)
  • Author(s): Koitaya Takanori、Shiozawa Yuichiro、Yoshikura Yuki、Mukai Kozo、Yoshimoto Shinya、Yoshinobu Jun
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 121 Issue: 45 Pages: 25402-25410
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b09598
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Highly anisotropic mobility in solution processed TIPS-pentacene film studied by independently driven four GaIn probes (2017)
  • Author(s): Yoshimoto Shinya、Takahashi Kohtaro、Suzuki Mitsuharu、Yamada Hiroko、Miyahara Ryosuke、Mukai Kozo、Yoshinobu Jun
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 111 Issue: 7 Pages: 073301-073301
  • DOI: 10.1063/1.4998949
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Gas Exposure Effects on Monolayer Pentacene FET Studied by Using Non-Invasive GaIn Probes (2018)
  • Author(s): J. Yoshinobu
  • Organizer: ASOMEA-IX
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 単原子合金触媒Pd/Cu(111)におけるギ酸の吸着と水素化反応 (2018)
  • Author(s): 吉信淳、徳永拓馬、向井孝三、吉本真也
  • Organizer: 触媒討論会
• [Presentation] Znを蒸着したCu(997)表面の低温STMによる局所状態観察 (2018)
  • Author(s): 柴田悠宇，吉本真也，向井孝三, 吉信淳
  • Organizer: 日本物理学会2018年年会
• [Presentation] グラフェンに担持したPt原子 およびクラスターの電子状態: 内殻光電子分光による研究 (2017)
  • Author(s): 向井孝三、塩澤祐一朗、芳倉佑樹、宮原亮介、吉本真也、 山崎憲慈、前原洋祐、郷原一寿、吉信淳
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] Roles of step and Zn in the chemistry of formate species on Cu model catalysts (2017)
  • Author(s): Y. Shiozawa, T. Koitaya, K. Mukai, S. Yoshimoto and J. Yoshinobu
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science
• [Remarks] Home page of Yoshinobu Laboratory at ISSP
  • URL: https://yoshinobu.issp.u-tokyo.ac.jp