| 研究課題/領域番号 |
23KJ1516
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 国内 |
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| 審査区分 |
小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
金 庚民 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-25 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
3,000千円 (直接経費: 3,000千円)
2025年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2024年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2023年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
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| キーワード | 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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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究目的を達成するため、薄膜成長条件の精密な制御により、原子レベルで清浄かつ酸素欠陥が制御されたセリア表面を実現し、極低温環境下でセリア表面上のCO分子と水分子のWGS反応を誘起し、NC-AFMによりそれらの吸着エネルギー、中間体形成過程、脱離後の表面状態を実空間上で観察することで、WGS反応の素過程を原子レベルで解明する。さらに原子操作技術により、Au/Ptナノ粒子をセリア表面上に創製し、CO分子と水分子のWGS反応過程の変化をNC-AFM観察することで、Au/Ptナノ粒子がセリアのWGS反応活性を向上させるメカニズムを解明する。
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| 研究実績の概要 |
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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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
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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| 今後の研究の推進方策 |
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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