μSR法を用いた金属酸化物の光触媒特性の解明

• Project Area: Frontier of Materials, Life and Elementary Particle Science Explored by Ultra Slow Muon Microscope
• Project/Area Number: 26108701
• 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: Hokkaido University
• Principal Investigator: 有賀 寛子 北海道大学, 触媒科学研究所, 助教 (90570911)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2015: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2014: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 光触媒 / ミュオン / TiO2 / 酸素欠陥 / 水素 / 金属酸化物 / バンドギャップ / 単結晶

Outline of Annual Research Achievements

光触媒であるTiO2内の欠陥は，光吸収や電子伝達に重要な役割を果たす。この欠陥には水素が安定化するということが理論計算で予測されているため、本研究では、muonをプローブとしてTiO2の欠陥を観測できないかと考えた。muonは水素と同じ電荷を有する量子であるため，物質中で水素の軽い同位体として振る舞う。また，平均2.2 μsで崩壊するため，崩壊の時に放出される陽電子を観測することで，物質内でのmuon (つまり水素)の分布や電子状態を明らかとすることができる。
本研究では、rutile型TiO2に酸素欠陥を導入しmuon spin rotation/relaxation法を用いて観測し、得られたスペクトルを詳細に解析することで、ruitle型TiO2内部の欠陥として、酸素欠陥に二つの水素が存在する新しい安定構造を見出した（測定では水素とミュオンの安定構造を観測した）。また、この構造について密度汎関数法によりエネルギー的安定性と電子状態を計算したところ、本構造は準安定構造の一つで、また、band gap内部にエネルギー状態を持つことが明らかとなった。これは、本構造がrutile型TiO2の光触媒特性に寄与していることを示唆する。
以上のように、本研究では、光触媒特性の予測に、muonをプローブとして用いることが有効であることを示した。更に、金属酸化物内部の新しい水素種の存在を示唆した。本結果は、muon spin rotation/relaxation法が、今後、より複雑な構造を有する高機能、多機能な光触媒に応用可能で、予測が困難な光触媒特性を発現している原子レベルの構造、電子状態分布を明らかとするツールとなることを示している。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Structure determination of the rutile-TiO2(110)-(1 x 2) surface using total-reflection high-energy positron diffraction (TRHEPD) (2016)
  • Author(s): I. Mochizuki, H. Ariga, Y. Fukaya, K. Wada, M. Maekawa, A. Kawasuso, T. Shidara, K. Asakura and T. Hyodo
  • Journal Title: PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS Volume: 18 Issue: 10 Pages: 7085-7092
  • DOI: 10.1039/c5cp07892j
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanostructures and properties of rutile TiO2 studied by accelerator-based probes (2015)
  • Author(s): Hiroko Ariga, Kiyotaka Asakura
  • Journal Title: Journal of the crystallographic society of Japan Volume: 57 Pages: 41-46
  • NAID: 130004799735
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reactivity of Ni2P(101b0) surface for NO evaluated by STM (2014)
  • Author(s): K. Kouno, H. Ariga, S. Takakusagi, S. Otani, and K. Asakura
  • Journal Title: Hyomen Kagaku Volume: 35 Pages: 415-419
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Micro Reverse Monte Carlo Approach to EXAFS Analysis (2014)
  • Author(s): K. Fujikawa, H. Ariga, S. Takakusagi, H. Uehara, T. Ohba and K. Asakura
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 12 Pages: 322-329
  • NAID: 130004438896
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] K-Edge X-ray Absorption Fine Structure Analysis of Pt/Au Core Shell Electrocatalyst: Evidence for Short Pt-Pt Distance (2014)
  • Author(s): T. Kaito, H. Mitsumoto, S. Sugawara, Kazuhiko Shinohara, H. Uehara, H. Ariga, S. Takakusagi, Y. Hatakeyama , K. Nishikawa , K. Asakura
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 118 Pages: 8481-8490
  • NAID: 120005457015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic Structure and Catalytic Activity of W-Modified Ni2P Surface Alloy by Photoelectron Diffraction and Spectroscopy (2014)
  • Author(s): H. Matsui, F. Matsui, N. Maejima, H. Daimon, T. Matsushita, H. Ariga and K. Asakura
  • Journal Title: e-J. SSNT. Volume: 12 Pages: 53-56
  • NAID: 130004438866
• [Journal Article] Efficient Ru-Fe catalyzed selective hydrogenolysis of carboxylic acids to alcoholic chemicals (2014)
  • Author(s): Y. Yuan, W. Li, L. Ye, P. Long, J. Chen, H. Ariga, K. Asakura
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 4 Pages: 29072-29082
• [Presentation] μSR investigation of reduced TiO2 single crystal (2016)
  • Author(s): Hiroko Ariga
  • Organizer: International USMM &CMSI Workshop
  • Place of Presentation: 東京、日本
  • Year and Date: 2016-01-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] μSR measurements of Photocatalyst rutile TiO2 single crystal (2015)
  • Author(s): H. Ariga, D. Kido, K. Shimomura, A. Pang, E. Torikai , K. Nagamine and K. Asakura
  • Organizer: The 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (PACIFICHEM 2015)
  • Place of Presentation: ハワイ、アメリカ
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of oxygen vacancy in rutile TiO2 single crystal by μSR measurement (2015)
  • Author(s): H. Ariga and K. Asakura
  • Organizer: 第６回 J-PARC/MUSE 成果報告会
  • Place of Presentation: 東海、日本
  • Year and Date: 2015-07-27
• [Presentation] μSR measurements of rutile TiO2 single crystal: A new method to approach in Photocatalysis (2015)
  • Author(s): Hiroko Ariga
  • Organizer: The 17th International Symposium on Relations between Homogeneous and Heterogeneous Catalysis (ISHHC17)
  • Place of Presentation: Utrecht, オランダ
  • Year and Date: 2015-07-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum beam approach to Catalyst local structure analysis (2014)
  • Author(s): Hiroko Ariga
  • Organizer: Fritz Habber Institute workshop 2014
  • Place of Presentation: Riederau (Germany)
  • Year and Date: 2014-09-14 – 2014-09-17
  • Invited