機能性酸化物表面における光触媒機能の 1 分子分析とメカニズム解明

• 研究課題/領域番号: 22685002
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 奥山 弘 京都大学, 大学院・理学研究科, 准教授 (60312253)
• 研究期間 (年度): 2010 – 2012
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 24,700千円 (直接経費: 19,000千円、間接経費: 5,700千円); 2012年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2011年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2010年度: 19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)
• キーワード: 単一分子 / 酸化物表面 / STM / 走査トンネル顕微鏡 / 水素 / 水分子 / 光反応 / 酸化物

研究概要

Cu(110)における水分子の反応とダイナミクスを 1 分子レベルで追跡し、水酸基のダイナミクスや水素原子のリレー反応を観測し、そのメカニズムを解明した。走査トンネル顕微鏡(STM)のトンネル電子により主に水分子の振動が励起され、その緩和過程で水素の運動が誘起されることが分かった。さらに理論グループと共同研究を行い、振動モードの特定と振動エネルギーの決定を行った。また、酸素アダトムに対して、水分子は障壁なく反応し、水酸基ダイマーを形成することが分かった。すなわち、銅表面において不純物としての酸素原子が水分解反応の活性サイトであることが明らかとなった。一方、硫黄原子に対して水分子は反応を示さず、同じカルコゲン原子でも触媒活性に対して大きな性質の違いがあることを見出した。

研究成果

• [雑誌論文] Nature of hydrogen bonding in hydroxyl groups on a metal surface (2012)
  • 著者名/発表者名: I. Hamada, T. Kumagai, A. Shiotari, H.Okuyama, S. Hatta, and T. Aruga
  • 雑誌名: Phys. Rev 巻: B 86
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modifying current-voltage characteristic of a single molecule junction by isotope substitution : OHOD dimer on Cu(110) (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Okuyama, A. Shiotari, T. Kumagai, S. Hatta, T. Aruga, Y. Ootsuka, M. Paulsson, H. Ueba
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 85 号: 20 ページ: 204524-204524
  • DOI: 10.1103/physrevb.85.205424
  • 査読あり
• [雑誌論文] H-atom relay reaction in real space (2012)
  • 著者名/発表者名: T.Kumagai, et al., H.Ueba
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 11 号: 2 ページ: 167-172
  • DOI: 10.1038/nmat3176
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nature of hydrogen bonding in hydroxyl groups on a metal surface (2012)
  • 著者名/発表者名: I. Hamada, T. Kuamgai, A. Shiotari、H. Okuyama、S Hatta,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 86 号: 7 ページ: 75432-75432
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.075432
  • 査読あり
• [雑誌論文] Water clusters on Cu(110): chain versus cyclic structures (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Kumagai, H. Okuyama, S. Hatta, T. Aruga, and I. Hamada
  • 雑誌名: J. Chem. Phys 巻: 134 号: 2
  • DOI: 10.1063/1.3525645
  • NAID: 120002753567
  • 査読あり
• [雑誌論文] Imaging covalent bonding between two NO molecules on Cu(110) (2011)
  • 著者名/発表者名: Shiotari, Y. Kitaguchi, H. Okuyama, S. Hatta, and T. Aruga
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 106 号: 15
  • DOI: 10.1103/physrevlett.106.156104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Imaging sequential dehydrogenation of methanol on Cu(110) with a scanning tunneling microscope (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Kitaguchi, A. Shiotari, H. Okuyama, S. Hatta, and T. Aruga
  • 雑誌名: J. Chem. Phys 巻: 134 号: 17
  • DOI: 10.1063/1.3589256
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen-bond imaging and engineering with a scanning tunneling microscope (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Okuyama and I. Hamada
  • 雑誌名: J. Phys. D: Appl. Phys 巻: 44 号: 46 ページ: 464004-464004
  • DOI: 10.1088/0022-3727/44/46/464004
  • NAID: 120003573883
  • 査読あり
• [雑誌論文] "Dynamical fluctuations in In nanowires on Si (111)" (2011)
  • 著者名/発表者名: ] S. Hatta, Y. Ohtsubo, T. Aruga, S.Miyamoto, H. Okuyama, H. Tajiri, O. Sakata
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 84 号: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.245321
  • 査読あり
• [雑誌論文] H-bond imaging and engineering with an STM (2011)
  • 著者名/発表者名: 奥山弘、濱田幾太郎
  • 雑誌名: J.Phys.D : Appl.Phys. 巻: 44
  • 査読あり
• [雑誌論文] Imgaging dehydrogenat ion of methanol on Cu(110) with an STM (2011)
  • 著者名/発表者名: 北口雄也
  • 雑誌名: J.Chem.Phys. 巻: 134
  • 査読あり
• [雑誌論文] Water clusters on Cu(110) : chain versus cyclic structures (2011)
  • 著者名/発表者名: 熊谷崇
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 134
  • 査読あり
• [雑誌論文] Imaging covalent bonding between two NO molecules on Cu(110) (2011)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 106
  • 査読あり
• [雑誌論文] Symmetric hydrogen bond in a water-hydroxyl complex on Cu(110) (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Kumagai, M. Kaizu, H. Okuyama, S. Hatta, T. Aruga, I. Hamada, and Y. Morikawa
  • 雑誌名: Phys. Rev 巻: B81 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.81.045402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Rashba spin splitting of a metallic surface-state band on a semiconductor surface (2010)
  • 著者名/発表者名: K. Yaji, Y. Ohtsubo, S. Hatta, H. Okuyama, K. Miyamoto, T. Okuda, A. Kimura, H. Namatame, M. Taniguchi, and T. Aruga
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 1 号: 1 ページ: 17-17
  • DOI: 10.1038/ncomms1016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-polarized semiconductor surface states localized in subsurface layers (2010)
  • 著者名/発表者名: Y Ohtsubo, S Hatta, K Yaji, H Okuyama, K Miyamoto, T Okuda, A Kimura, H. Namatame, M. Taniguchi, T. Aruga
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 82 号: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.82.201307
  • NAID: 120002709541
  • 査読あり
• [雑誌論文] Symmetric hydrogen bond in a water-hydroxyl complex on Cu(110) (2010)
  • 著者名/発表者名: 熊谷崇
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 81
  • 査読あり
• [学会発表] Cu(110)表面におけるフェノールとチオフェノールの吸着状態の比較 (2013)
  • 著者名/発表者名: 北口雄也、羽深智、三井拓也、八田振一郎、奥山弘、有賀哲也
  • 学会等名: 日本化学会第93回春季年会
  • 発表場所: 滋賀
• [学会発表] Cu(110)における NO の不対電子の観察と制御 (2012)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼、三井拓也、八田振一郎、奥山弘、有賀哲也
  • 学会等名: 第32回表面科学学術講演会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2012-11-21
• [学会発表] STM による分子間相互作用の直接観察 (2012)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼、熊谷崇、濱田幾太郎、 奥山弘、八田振一郎、有賀哲也
  • 学会等名: 第3回真空・表面科学若手勉強会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 2012-11-13
• [学会発表] Cu(110)に吸着した NO の価電子状態と分子間相互作用 (2012)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼、三井拓也、奥山弘、八田振一郎、有賀哲也
  • 学会等名: 日本物理学会 2012 年秋季大会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] Cu(110)表面における NO分子間共有結合の直接観察 (2012)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼、北口雄也、奥山弘、八田振一郎、有賀哲也
  • 学会等名: 第10回京都大学低温物質科学研究センター講演会・研究交流会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2012-03-09
• [学会発表] H-bond imaging and engineering with an STM (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Okuyama
  • 学会等名: 14thInternational Conference on Vibrations at Surfaces (VAS14)
  • 発表場所: Kobe (Japan)
• [学会発表] Visualization of 2π* Orbital of NO Molecule and Dimer on Cu(110) (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Shiotari,Y. Kitaguchi, H. Okuyama,S. Hatta, T. Aruga
  • 学会等名: 28thSymposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 発表場所: Fukuoka (Japan)
• [学会発表] Direct Observation of Valence States of NO on Cu(110) (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Shiotari, Y. Kitaguchi, H. Okuyama, S. Hatta, T. Aruga
  • 学会等名: International Conference on Nanoscience+Technology 2012(ICNT2012)
  • 発表場所: Paris (France)
• [学会発表] Comparative study of phenol and thiophenol adsorption on Cu(110) (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Kitaguchi, S. Norimoto, S. Habuka, S. Hatta, H. Okuyama, T. Aruga
  • 学会等名: 14thInternational Conference on Vibrations at Surfaces (VAS14)
  • 発表場所: Kobe (Japan)
• [学会発表] Direct Observation of Valence States of NO on Cu(110) (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Shiotari, Y. Kitaguchi, H. Okuyama, S. Hatta, T. Aruga
  • 学会等名: 14thInternational Conference on Vibrations at Surfaces (VAS14)
  • 発表場所: Kobe (Japan)
• [学会発表] Cu(110)に吸着したフェノール分子の STM 観測 (2012)
  • 著者名/発表者名: 北口雄也、羽深智、乗本信吾、八田振一郎、奥山弘、有賀哲也
  • 学会等名: 第32回表面科学学術講演会
  • 発表場所: 仙台
• [学会発表] H-bond imaging and engineering with an STM (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Okuyama
  • 学会等名: 14th international conference on Vibration at Surfaces
  • 発表場所: Kobe
  • 招待講演
• [学会発表] Cu(110)表面における NO分子間に形成された共有結合の実空間観測 (2011)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼、北口雄也、八田振一郎、奥山弘、有賀哲也
  • 学会等名: 第31回表面科学学術講演会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2011-12-17
• [学会発表] STM observation of methanol and its dehydrogenation products on Cu(110) (2011)
  • 著者名/発表者名: 北口雄也
  • 学会等名: 6thInternational Symposium on Surface Science
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2011-12-15
• [学会発表] Cu(110)における NO 分子間共有結合の直接観察 (2011)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼、北口雄也、八田振一郎、奥山弘、有賀哲也、
  • 学会等名: 2011 年度関西薄膜物理セミナー
  • 発表場所: 交野
  • 年月日: 2011-11-26
• [学会発表] Cu(110)に吸着した NO の電子状態の制御 (2011)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼、北口雄也、八田振一郎、奥山弘、有賀哲也
  • 学会等名: 日本物理学会 2011 年秋季大会
  • 発表場所: 富山
  • 年月日: 2011-09-23
• [学会発表] Cu(110) における NO の吸着構造と電子状態 (2011)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼、北口雄也、八田振一郎、奥山弘、有賀哲也
  • 学会等名: 日本物理学会第66回年次大会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 2011-03-28
• [学会発表] Visualization of Covalent Bonding between NO on Cu(110) (2011)
  • 著者名/発表者名: A. Shiotari, Y. Kitaguchi, H. Okuyama, S. Hatta, T. Aruga
  • 学会等名: 6thInternational Symposium on Surface Science (ISSS-6)
  • 発表場所: Tokyo (Japan)
• [学会発表] STM observation of methanol and its dehydrogenation products on Cu(110) (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Kitaguchi, A. Shiotari, S. Hatta, H. Okuyama, T. Aruga
  • 学会等名: 6thInternational Symposium on Surface Science (ISSS-6)
  • 発表場所: Tokyo (Japan)
• [学会発表] Visualization of covalent bonding between NO on Cu(110) (2011)
  • 著者名/発表者名: A. Shiotari, Y. Kitaguchi, H. Okuyama, S. Hatta, T. Aruga
  • 学会等名: 28thEuropean conference on surface science (ecoss28)
  • 発表場所: Wrocraw (Poland)
• [学会発表] STM observation of methanol and its dehydrogenation products on Cu(110) (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Kitaguchi, A. Shiotari, S. Hatta, H. Okuyama, T. Aruga
  • 学会等名: 28thEuropean conference on surface science (ecoss28)
  • 発表場所: Wrocraw (Poland)
• [学会発表] Cu(110)におけるメタノールと脱水素化物の単分子観測 (2011)
  • 著者名/発表者名: 北口雄也、塩足亮隼、八田振一郎、奥山弘、有賀哲也
  • 学会等名: 第31回表面科学学術講演会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] Cu(110)におけるメタノールと脱水素化物の STM 観測 (2011)
  • 著者名/発表者名: 北口雄也、塩足亮隼、八田振一郎、奥山弘、有賀哲也
  • 学会等名: 日本化学会第91回春季年会
  • 発表場所: 神奈川
• [学会発表] Cu(110)に吸着したNOの価電子状態 (2010)
  • 著者名/発表者名: 奥山弘
  • 学会等名: 表面・界面スペクトロスコピー2010
  • 発表場所: つくば山京成ホテル
  • 年月日: 2010-12-04
• [学会発表] STM による水酸基一次元鎖の作成と水素結合の評価 (2010)
  • 著者名/発表者名: 塩足亮隼、熊谷崇、八田振一郎、 奥山弘、有賀哲也
  • 学会等名: 第30回表面科学学術講演会
  • 発表場所: 吹田
  • 年月日: 2010-11-05
• [図書] プロトンリレーが見えた!-走査トンネル顕微鏡で水素の挙動を捉える 化学 (2012)
  • 著者名/発表者名: 奥山弘
• [図書] 実空間におけるプロトンダイナミクス:トンネル反応をトンネル顕微鏡で観察する 日本物理学会誌 (2010)
  • 著者名/発表者名: 奥山弘, 濱田幾太郎