超高真空～準大気圧をつなぐ環境制御型AFMの開発と光触媒表面の欠陥の影響の検証

• 研究課題/領域番号: 21K14534
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所 (2022); 長岡技術科学大学 (2021)
• 研究代表者: 勝部 大樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (00831083)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 原子間力顕微鏡 / 光触媒 / 表面・界面物性 / 水吸着構造

研究開始時の研究の概要

光触媒による水分解反応において、表面に存在する欠陥は反応活性点であると考えられている。しかし、この欠陥構造が実環境においても反応活性点であるかについては直接的な証拠は得られておらず、実環境でも反応性に影響を与えるのかについては明らかになっていない。
本研究では、超高真空環境から準大気圧環境まで水雰囲気を制御可能な環境制御型原子間力顕微鏡を開発する。さらに、開発した装置を用いて以下の研究を行う。
・表面欠陥と水の吸着構造の関係の原子スケールでの解明
・光触媒反応平衡状態における光触媒/水構造の原子スケールでの解明

研究実績の概要

本研究は、光触媒材料表面の欠陥と光触媒反応の関係性、特に水吸着反応との関係を明らかにするため、超高真空から準大気圧まで雰囲気制御が可能な環境制御型原子間力顕微鏡を開発し、原子レベルで光触媒表面、水分子の吸着、吸着した水分子が構成する水膜と光触媒界面を観測し、その構造を明らかにすることを目的としている。
全研究期間の2年目となる令和5年度は、研究代表者の所属機関の異動に伴い、装置の梱包、移設、再立ち上げ作業を行った。また、極低温走査型トンネル顕微鏡を用いた光触媒表面における光触媒反応の予備実験を行った。その詳細について以下にまとめる。
(1) 当初計画では予定になかったが、研究代表者が所属の異動を行ったため、本年度は急遽本研究で用いる装置の移設、再立ち上げを行った。そのため、本来の計画で行うはずであった水雰囲気中での光触媒表面の原子分解能観測には至らなかった。移設した環境制御型AFMを用いた実験については、最終年度である次年度に行うことができるように移設後のメンテナンスを行っている段階である。
(2)(1)の移設作業と並行して、既に稼働している極低温STMを用いて、光触媒表面における低曝露量の時の水分子の吸着構造の観測を行った。本実験の結果、安定して水が吸着している様子を原子スケールで観測することができ、吸着サイトに関する知見を得た。これをベースに光照射による光触媒反応の予備実験を行ったところ、水分子が反応し、別の吸着構造が観測できた。本予備観測により、実際に光触媒反応を観測できる可能性を見出した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

研究代表者の所属機関の異動に伴う装置の移設のために、構築した実験系のメンテナンスと再立ち上げ作業を行っているところである。一方で、異動先の研究室で既に稼働中の極低温操舵型トンネル顕微鏡を用いた光触媒材料表面への低曝露量での水吸着、および、光照射による光触媒反応の観測を行うことができた。以上より、当初予定していた水雰囲気下での光触媒表面の原子分解能観測を行うには至らなかったものの、低曝露量の表面での水吸着、および、光触媒反応に関する知見を得ることができた。
以上より、当初計画の実験を行えなかったものの、研究について一定の進捗が得られたことから区分を「(3)やや遅れている」と判断した。

今後の研究の推進方策

装置移設後の立ち上げ作業については、全体の70％が終了している段階にある。また、予備実験として、別の実験装置で行った試料作製条件の調整については完了しており、装置が立ち上がれば、すぐに実験を開始できる状況にある。
そのため、次年度前半は、装置の立ち上げと動作確認を行い、本来計画していた水雰囲気下での光触媒表面の観測に取り組む。

研究成果

• [雑誌論文] 超音速酸素分子線を用いたアナターゼ型TiO₂(001)表面の酸素欠損の修復 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝部大樹，大野真也，稲見栄一，吉越章隆，阿部真之
  • 雑誌名: 表面と真空 巻: 65 号: 11 ページ: 526-530
  • DOI: 10.1380/vss.65.526
  • ISSN: 2433-5835, 2433-5843
  • 年月日: 2022-11-10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 表面機能コア解析のための装置開発と応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: Abe Masayuki、Katsube Daiki、Yamashita Hayato、Inami Eiichi、Custance Oscar
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 61 号: 10 ページ: 645-650
  • DOI: 10.2320/materia.61.645
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 年月日: 2022-10-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxidation of Anatase TiO₂(001) Surface Using Supersonic Seeded Oxygen Molecular Beam (2021)
  • 著者名/発表者名: Katsube Daiki、Ohno Shinya、Takayanagi Shuhei、Ojima Shoki、Maeda Motoyasu、Origuchi Naoki、Ogawa Arata、Ikeda Natsuki、Aoyagi Yoshihide、Kabutoya Yuito、Kyungmin Kim、Linfeng Hou、Fengxuan Li、Tsuda Yasutaka、Yoshida Hikaru、Nishi Shizuka、Sakamoto Tetsuya、Inami Eiichi、Yoshigoe Akitaka、Abe Masayuki
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 37 号: 42 ページ: 12313-12317
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c01752
  • 査読あり
• [学会発表] ルチル型TiO2(110)-(1×2)表面の走査プローブ顕微鏡観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 勝部 大樹
  • 学会等名: 832nd ASRCセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] アナターゼ型TiO2(001)表面への超音速NO分子線の照射 (2023)
  • 著者名/発表者名: 1.勝部 大樹、大野 真也、金 庚民、津田 泰孝、稲見 栄一、吉越 章隆、阿部 真之
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] NC-AFM imaging of anatase TiO2(001)-(1×4) surface adsorbed water molecules at room temperature (2022)
  • 著者名/発表者名: Daiki Katsube, Yuji Kunisada, Masayuki Abe
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • 国際学会
• [学会発表] 金属酸化物表面の高分解能AFM計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝部 大樹、阿部 真之
  • 学会等名: 金属酸化物表面の高分解能AFM計測”、実用顕微評価セミナー2022「電子顕微鏡の最前線と表面分析技術の革新」
  • 招待講演
• [学会発表] 様々な金属酸化物表面の高分解能SPM観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝部 大樹
  • 学会等名: 学振167ナノプローブテクノロジー委員会の第102回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 超音速分子線を照射したアナターゼ型TiO2(001)表面のX線光電子分光による評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝部大樹、大野真也、高柳周平、尾島章輝、前田元康、折口直紀、小川新、池田夏紀、青栁良英、甲谷唯人、Kim Kyungmin、侯林楓、李豊烜、津田泰孝、吉田光、西静佳、坂本徹哉、稲見栄一、吉越章隆、阿部真之
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] X-ray photoelectron spectroscopy study of anatase TiO2(001) using oxygen supersonic seeded molecular beam (2021)
  • 著者名/発表者名: Daiki Katsube, Shinya Ohno, Shuhei Takayanagi, Shoki Ojima, Motoyasu Maeda, Naoki Origuchi, Arata Ogawa, Natsuki Ikeda, Yoshihide Aoyagi, Yuito Kabutoya, Kyugnmin Kim, Linfeng Hou, Fengxuan Li, Yasutaka Tsuda, Hikaru Yoshida, Shizuka Nishi, Tetsuya Sakamoto, Eiichi Inami, Akitaka Yoshigoe, Masayuki Abe
  • 学会等名: International Symposium on Surface Science 9
  • 国際学会
• [学会発表] 水を室温吸着したアナターゼ型TiO2(001)-(1×4)表面の原子間力顕微鏡解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 勝部大樹、國貞雄治、阿部真之
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡による光触媒材料上における脂質混合膜の分解過程の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 天木里奈、山下隼人、勝部大樹、稲見栄一、阿部真之
  • 学会等名: 日本金属学会2021年秋季第169回講演大会
• [学会発表] 超音速酸素分子線を照射したアナターゼ型TiO2(001)表面のX線光電子分光測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 勝部大樹、大野真也、高柳周平、尾島章輝、前田元康、折口直紀、小川新、池田夏紀、青栁良英、甲谷唯人、Kim Kyungmin、侯林楓、李豊烜、津田泰孝、吉田光、西静佳、坂本徹哉、稲見栄一、吉越章隆、阿部真之
  • 学会等名: 日本金属学会2021年秋季第169回講演大会