時間分解雰囲気X線光電子分光法によるプラズモニック化学反応の実時間オペランド観測

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H06027
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山本 達 東京大学, 物性研究所, 助教 (50554705)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 触媒反応 / プラズモン / オペランド / 時間分解 / 放射光

Outline of Annual Research Achievements

金属微粒子のプラズモン共鳴励起を利用した新規光化学反応がプラズモニック化学反応として注目を集めている。しかし、プラズモニック化学反応における固体表面の化学状態と表面反応を反応進行中に直接観測した例はほとんど無い。本研究課題は、高輝度放射光を用いた時間分解雰囲気X線光電子分光法を新たに開発し、プラズモニック化学反応を実時間かつオペランド（反応中）観察し、その反応メカニズムを解明することを目的とする。
平成29年度は、代表的なプラズモンナノ材料である金ナノ微粒子・TiO2(Au/TiO2)界面におけるプラズモン共鳴励起により生成した光励起キャリアのダイナミクスを、超高真空下時間分解軟X線光電子分光法を用いてリアルタイム観測した。実験で測定したAu/TiO2試料はTiO2(110)清浄表面にAuを真空蒸着、またはAuナノ微粒子を含んだ溶液を滴下することで作成した。Au/TiO2試料にプラズモン共鳴波長(532 nm)のレーザーを入射し、Auナノ微粒子を選択的に励起した。その結果生成する光励起キャリアがAuナノ微粒子からTiO2基板へ電荷移動し緩和する過程を、Ti2p内殻光電子スペクトルのエネルギーシフトを用いてリアルタイム観測した。Au/TiO2試料をプラズモン共鳴励起した結果、TiO2基板のTi2pピークが高結合エネルギー側へ約10 meVシフトする様子が観測された。このピークシフトは、TiO2清浄表面では観測されず、Au/TiO2表面でのみ観測された。更に、Auナノ微粒子からTiO2基板へ電荷移動した光励起キャリアの寿命は約500ピコ秒と非常に短いことが分かった。
また、本年度は自動波長可変オプティカルパラメトリックアンプを1 kHzの低繰り返し・高パルスエネルギーTi:Sレーザーに整備し、次年度以降プラズモン共鳴波長でより強励起が可能になる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

Au/TiO2試料をプラズモン共鳴励起した際のキャリアダイナミクスを観測することに成功したため。

Strategy for Future Research Activity

研究最終年度となる平成30年度は、平成29年度までに達成した超高真空下でのプラズモンナノ材料におけるキャリアダイナミクスをガス雰囲気に発展させ、プラズモニック化学反応を実時間かつオペランド観察することを目指す。その実現に必要な時間分解雰囲気X線光電子分光法の開発を急ぐ。また、プラズモニック化学反応として調べる予定であるAu/TiO2試料による水素解離反応の反応条件（レーザーパワー、試料温度）を、質量分析計で触媒反応の生成物を検出することで最適化する予定である。

Research Products

• [Presentation] 反応中の触媒をみる－軟X線オペランド分光による化学状態分析－ (2018)
  • Author(s): 山本達
  • Organizer: SPring-8ユーザー協同体顕微ナノ材料科学研究会・日本表面科学会放射光表面科学研究部会・日本表面科学会プローブ顕微鏡研究部会 合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] シリカ担持ニッケル触媒表面におけるサバティエ反応の軟X線オペランド観測 (2018)
  • Author(s): 山本達, 唐佳芸, 小板谷貴典, 徳永拓馬, 柴田悠宇, 向井孝三, 吉本真也, 吉信淳, 松田巌,
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] オペランド軟X線分光の高度化・協奏が拓く触媒科学 (2018)
  • Author(s): 山本達, 原田慈久, 松田巌, 吉信淳,
  • Organizer: ISSP workshop「SPring-8 BL07LSUの現状と次世代軟X線科学創成への戦略」
• [Presentation] プラズモンナノ材料におけるキャリアダイナミクスの実時間観測：時間分解軟X線光電子分光法による研究 (2018)
  • Author(s): 山本達, 小澤健一, 寺島矢, 夏井祐人, M. D'Angelo, 加藤博雄, 松田巌,
  • Organizer: 第31回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] VUV・軟X線光源を用いた物質科学研究の現状と展望 (2017)
  • Author(s): 山本達
  • Organizer: 物質構造科学研究所 設立20周年記念シンポジウム「物質構造科学の過去・現在・未来」
  • Invited
• [Presentation] Adsorption and reaction of CO2 on graphene studied by ambient pressure XPS (2017)
  • Author(s): S. Yamamoto, K. Takeuchi, R.-Y. Liu, Y. Shiozawa, T. Koitaya, T. Someya, K. Tashima, H. Fukidome, K. Mukai, S. Yoshimoto, M. Suemitsu, J. Yoshinobu, I. Matsuda,
  • Organizer: The 5th Ito International Research Conference "Forefront of Molecular Dynamics at Surfaces and Interfaces： From a single molecule to catalytic reaction"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Adsorption and reaction of CO2 on graphene studied by ambient pressure XPS (2017)
  • Author(s): S. Yamamoto, K. Takeuchi, R.-Y. Liu, Y. Shiozawa, T. Koitaya, T. Someya, K. Tashima, H. Fukidome, K. Mukai, S. Yoshimoto, M. Suemitsu, J. Yoshinobu, I. Matsuda,
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Adsorption and reaction of CO2 on graphene studied by ambient pressure XPS (2017)
  • Author(s): S. Yamamoto, K. Takeuchi, R.-Y. Liu, Y. Shiozawa, T. Koitaya, T. Someya, K. Tashima, H. Fukidome, K. Mukai, S. Yoshimoto, M. Suemitsu, J. Yoshinobu, I. Matsuda,
  • Organizer: 33rd European Conference on Surface Science (ECOSS-33)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 山本達研究用HP
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/labs/sor/s-yamamoto/