2023 Fiscal Year Research-status Report
Clarification of Water-Gas-Shift Reaction on Cerium Dioxide surface by using Non-Contact Atomic Force Microscopy
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23KJ1516
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
金 庚民 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2026-03-31
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| Keywords | 酸化セリウム / 原子間力顕微鏡 / フォーススペクトロスコピー / 表面再構成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は、触媒活性が最も高い酸化セリウム（セリア、CeO2）の薄膜成長に成功し、実空間上で物質表面を原子分解能で観察することができる原子間力顕微鏡とフォーススペクトロスコピーを用いて、(100)再構成表面の構造を原子レベルで明らかにした。
セリアの面方位の中で最も触媒活性が高いCeO2(100)表面は、CeカチオンとOアニオンの層構造になっているためpolarityを示す。この極性を打ち消す方向にCeO2(100)表面の原子が移動し、再構成構造を形成することが知られている。しかしこのCeO2(100)再構成表面についてはこれまでに多くの実験や理論計算が行われてきたが、その表面構造の複雑さゆえに、未だ原子レベルの構造解明は達成されていなかった。
今年度の研究では、触媒活性の高いCeO2(100)薄膜を成長するためのパラメーター探索に取り組み、薄膜成長用基板として用いるCu(111)表面の酸化膜の加熱温度と酸素分圧を制御することで、従来作製が困難とされていたCeO2(100)薄膜を成長させることに成功した。作製した表面を原子間力顕微鏡で観察した結果、広い領域にかけて原子レベルで平坦なアイランドを有することが明らかとなった。
さらに、それらの原子レベルの構造を明らかにするため、実空間上で物質表面を原子分解能で観察することができる原子間力顕微鏡とフォーススペクトロスコピーを組み合わせ、CeO2(100)再構成表面がピラミッド状の(2x2)-CeO4終端構造と、c(2x2)-O終端構造から成るということを明らかにした。次年度は水性ガスシフト（Water-Gas-Shift:WGS)反応に係る分子（CO, CO2, H2O等）を吸着させた、各分子がセリア表面上に吸着するサイト、吸着形態、酸素欠陥やモルフォロジーとの関係を調べ、セリアの高い触媒活性の起源に迫ることを目標とする。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度は、触媒活性が最も高い酸化セリウム（セリア、CeO2）の薄膜成長に成功し、実空間上で物質表面を原子分解能で観察することができる原子間力顕微鏡とフォーススペクトロスコピーを用いて、(100)再構成表面の構造を原子レベルで明らかにした。
セリアの面方位の中で最も触媒活性が高いCeO2(100)表面は、CeカチオンとOアニオンの層構造になっているためpolarityを示す。この極性を打ち消す方向にCeO2(100)表面の原子が移動し、再構成構造を形成することが知られている。しかしこのCeO2(100)再構成表面についてはこれまでに多くの実験や理論計算が行われてきたが、その表面構造の複雑さゆえに、未だ原子レベルの構造解明は達成されていなかった。
今年度の研究では、触媒活性の高いCeO2(100)薄膜を成長するためのパラメーター探索に取り組み、薄膜成長用基板として用いるCu(111)表面の酸化膜の加熱温度と酸素分圧を制御することで、従来作製が困難とされていたCeO2(100)薄膜を成長させることに成功した。作製した表面を原子間力顕微鏡で観察した結果、約120 nm x 120 nmの広い領域にかけて、原子レベルで平坦なアイランドを有することが明らかとなった。
さらに、それらの原子レベルの構造を明らかにするため、実空間上で物質表面を原子分解能で観察することができる原子間力顕微鏡とフォーススペクトロスコピーを組み合わせ、CeO2(100)再構成表面がピラミッド状の(2x2)-CeO4終端構造と、c(2x2)-O終端構造から成るということを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に作製に成功したCeO2(100)再構成表面は、触媒活性が最も高い方位面である。そのため今後の推進方策としては、CeO2(100)再構成表面上に水性ガスシフト（Water-Gas-Shift:WGS)反応に係る分子（CO, CO2, H2O等）を吸着させた後、原子間力顕微鏡とフォーススペクトロスコピーによる原子分解能測定を行う。それにより、各分子がセリア表面上に吸着するサイト、吸着形態、酸素欠陥やモルフォロジーとの関係を調べ、セリアの高い触媒活性の起源に迫ることを目標とする。
また、セリアにPtやAuなどの貴金属を担持すると、触媒活性が向上することが知られている。よって、初年度作製した表面にそれらの貴金属をナノ粒子として堆積させ、原子分解能測定を行うことにより、貴金属ナノ粒子が形成するクラスター形状や、吸着分子との相互作用を明らかにすることを目標とする。
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