2022 Fiscal Year Annual Research Report

垂直磁気異方性を付与したＰｔ単結晶表面における常磁性酸素の触媒反応

Research Project

Project/Area Number	21K18801
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	和田山智正東北大学, 環境科学研究科, 教授 (20184004)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2023-03-31
Keywords	酸素還元反応 / 垂直磁気異方性 / 白金コバルト合金 / 白金ニッケル合金 / 表面歪 / スピン触媒
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、表面法線方向に揃った磁化が常磁性酸素(O2)の表面反応にどのように影響するか実験的に検討し、新たな触媒反応場として提案することを目的として行われた。具体的には、Pt単結晶表面に垂直磁気異方性(PMA)を付与(PMA_Pt)し、常磁性O2の表面反応がどのように変化するかを実験的に精査して、「スピン触媒分野」開拓への端緒とすることを目指した。R3,R4年度にわたる研究を通じて、以下のことを明らかにした。すなわち、超高真空環境においてPt(111)基板表面にCoあるいはNiを1原子層相当厚蒸着し、温度を変えて真空中で熱処理すると、基板Pt原子がCoあるいはNi層上に表面偏析してPtスキン層/Co(Ni)層/Pt(111)基板からなる積層構造（Pt-Co(Ni)(111)表面合金）が得られることを電子線回折や電気化学測定結果に基づいて推定した。さらに、得られた2つの表面合金系について表面磁気カー効果（SMOKE)測定を行い、Pt-Co(111)系はPMAを示すのに対してPt-Ni(111)系ではPMAを示さないことを確認した。表面Ptスキン層に働く歪を面内X線回折測定から評価したところ、いずれのPt(111)スキン層ともに下地のCo(Ni)層の影響を受けて圧縮歪が働いていることがわかった。このようにして作製し、その物性を評価したPt-Co(Ni)(111)表面合金について、ORR活性を電気化学測定に基づいて評価した。その結果、ORR活性は表面合金構築時の熱処理温度に依存して変化し、対Pt(111)比で最大10倍程度増大することがわかった。さらに、Pt(111)スキン層が示すORR活性の圧縮歪依存性は、PMAを示すPt-Co(111)とPMAを示さないPt-Ni(111)では、互いに異なることがわかった。