低速陽電子によるブラックチタニアの研究

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K03803
• Research Institution: Tokyo Gakugei University
• Principal Investigator: 松本 益明 東京学芸大学, 教育学部, 教授 (40251459)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 二酸化チタン / 水素 / 光触媒 / 低速電子回折法 / 光電子分光法 / 核反応解析法

Outline of Annual Research Achievements

2021年度においては，アナターゼTiO2ナノ粒子および単結晶TiO2(110)基板を高温で水素処理することにより，表面を黒化させる黒色TiO2試料について，
作製条件と幾何学・電子構造との関係を調べるために，東京学芸大学において黒色化の可能な装置を作製し，ベーキングによりベース圧力を低下させて，
水などの不純物の少ない条件でブラックチタニアを作製できるようにした．作製した試料は一旦大気中に取り出すが，すぐにX線回折法(XRD)により構造を評価できる体制を整え，作製条件による構造の違いについて研究を行った．その中で，水素を導入せず，フィラメントによる加熱により黒色化する場合があることが分かった．これまで水素の圧力により黒色化の進行に違いがあったが，バックグラウンドに水素が含まれているとしてもその圧力は極めて低いため，矛盾した結果である．ただ，XRDによる結果では以前観測されたアナターゼからルチルへの転換も見られていないため，同じように黒色化していても構造の異なるものが存在する可能性があり，その光触媒としての性能を調べることも必要である．低速電子回折法(LEED)と走査トンネル顕微鏡(STM)を用いた幾何学的構造の測定や紫外及びX線光電子分光法(UPS及びXPS)を用いた電子構造の測定においては，新たな知見が得られていない．核反応解析法(NRA)による実験では，内部の水素濃度の増大は見られず，表面及び表面近傍における水素濃度の僅かな上昇が見られただけであった．このような試料内部の水素化があまり起きていないことと，上の水素導入なしでの黒色化との関連についてはまだ不明である．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

昨年度に引き続き新型コロナウイルス感染拡大に伴う緊急事態宣言の影響を受けて，東京大学物性研究所での作業は進んでいない．そのため，東京学芸大学及び東京大学生産技術研究所での実験を進めた．東京学芸大学でのブラックチタニア試料の作成を可能とし，条件を変えて作製した試料を直ちにXPDで解析することで，試料作成条件について研究を進めたところ，これまでの実験と異なり，水素の関与しない条件での黒色化が観測され，その原因について調査中である．紫外/X線光電子分光法(UPS/XPS)の装置を移動したところ，絶縁不良が発生し，測定ができなくなったため，その修理にかなりの時間がかかったが，ようやく修理が完了した状況である．

Strategy for Future Research Activity

2021年度の研究においても，東京大学物性研究所の陽電子測定装置については整備を進めることができなかった．陽電子線源の交換について模索したが，困難であるため，高エネルギー加速器研究機構の装置も含めて，他の研究所の陽電子装置を利用するを考えている．新型コロナによる行動制限が緩和されてきたため，今年度は学芸大以外の他の研究所等での作業を積極的に進める予定である．東京大学生産技術研究所のUPS/XPSの装置の移動に伴い，故障が発生し，修理に時間がかかったが，目処がたったため，UPS/XPSによる研究も再開しようとしている段階である．同時にLEEDとSTMを備えるの装置において，単結晶TiO2(110)を黒色化した後その場観察することにより，黒色化した表面の観察を進める予定である．UPS/XPSの装置へ試料を移動する際には一旦試料を真空外に出す必要があるが，LEEDの装置が付いているため，構造を確認しながらUPS/XPSによる電子状態の測定を行い，幾何学的な構造と電子構造の対応についての知見を得たいと考えている．

Causes of Carryover

現在までの進捗状況にあるように，新型コロナウイルス感染による行動規制が長引いたため，実験や学会への参加に制限があったため，旅費等の使用が少なくなった．また，装置の故障などもあって研究が若干遅れており，使用する試料等も少なくなった．最近では新型コロナ感染症に伴う行動制限が緩和されてきたため，今後は積極的に他の研究機関での研究も再開し，国内外での会議に参加して研究成果を発表したいと考えている．