金属/無機ナノヘテロ界面の化学反応機能のメカニズムに関する研究

2004 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16360319
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 独立行政法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 香山 正憲 独立行政法人産業技術総合研究所, ユビキタスエネルギー研究部門・ナノ材料科学研究グループ, グループ長 (60344157)
• 研究分担者: 秋田 知樹 独立行政法人産業技術総合研究所, ユビキタスエネルギー研究部門・ナノ材料科学研究グループ, 研究員 (80356344) ; 田中 真悟 独立行政法人産業技術総合研究所, ユビキタスエネルギー研究部門・ナノ材料科学研究グループ, 研究員 (50357448) ; 田中 孝治 独立行政法人産業技術総合研究所, ユビキタスエネルギー研究部門・ナノ材料科学研究グループ, 主任研究員 (40357439) ; 藤谷 忠博 独立行政法人産業技術総合研究所, 環境化学技術研究部門・Nox除去触媒グループ, グループ長 (50190054) ; 前田 泰 独立行政法人産業技術総合研究所, 環境化学技術研究部門・ナノ粒子触媒グループ, 研究員 (30357983)
• キーワード: 金属 / 無機ナノヘテロ界面 / 金ナノ粒子 / 酸化チタン / 電子顕微鏡観察 / 電子線ホログラフィー法 / 走査トンネル顕微鏡 / 第一原理計算 / 界面ストイキオメトリ

研究概要

(1)金属/無機ナノヘテロ界面の触媒機能の起源を探るため、Au/TiO_2系や貴金属/酸化物系の表面・界面の原子配列や電子状態を、電子顕微鏡観察・表面科学実験・第一原理計算の三者の相補的な連携により詳細に探った。特に界面stoichiometryの効果について検討した。(A-1)電子顕微鏡観察では、An/CeO_2系について、モデル構造を作製し、高分解能TEM観察を行い、優先方位関係の存在など、興味深い現象を見出した。また、Au/TiO_2界面の本性的な相互作用を探るため、金薄膜をTiO_2(110)面に真空蒸着した試料の界面構造をTEM観察し、TiO_2(110)‖Au(111)の領域が多く存在することを見出した。(A-2)電顕による電子線ホログラフィー法でAu/TiO_2の界面相互作用を探った。析出沈殿法で金ナノ粒子をTiO_2に担持させた場合、金の平均内部ポテンシャルの粒子サイズ依存性が観察され、強い界面相互作用を示唆する。一方、真空蒸着法で作成した場合やグラファイトへの担持系では様相が異なる。相互作用は作成条件に依存し、界面stoichiometryの効果と考えられる。(B)TiO_2表面のstoichiometryが蒸着金粒子に及ぼす影響を探るため、Au/TiO_2(110)モデル試料の走査トンネル顕微鏡(STM)観察を行った。Stoichiometricな(1x1)表面上に比べ、Ti-richな(1x2)表面上の方が、金微粒子は小さいサイズで高密度に分散する。これは、金がTiO_2表面のnon-stoichiometricな部分と強い相互作用を持つとする理論計算と合致している。(C)界面相互作用への界面stoichiometry効果を直接的に探るため、TiO_2(110)表面への各種貴金属原子層吸着構造の第一原理計算を行い、Auがnon-stoichiometricなTiO_2表面と強い相互作用を有し、Ptと異なりstoichiometricな表面とはほとんど相互作用しないことが判明した。この結果は、上記各種実験結果をよく説明し、Au/TiO_2系の特異触媒機能の起源と関係すると考えられる。(2)さらに化学反応機能を探るため、Au/TiO_2系の分子吸着実験を開始した。

研究成果

• [雑誌論文] Electron Holographic Characterization of Nano-Hetero Interface Effect in Gold Catalysts (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Ichikawa, T.Akita, K.Okazaki, K.Tanaka, M.Kohyama
  • 雑誌名: Materials Research Society Symposium Proceedings Vol.839 ページ: 3.3
• [雑誌論文] TEM Observation of Gold Nanoparticles Deposited on Cerium Oxide (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Akita, M.Okumura, K.Tanaka, M.Kohyama, M.Haruta
  • 雑誌名: Journal of Materials Science (印刷中)
• [雑誌論文] Effects of Stoichiometry on Electronic States of Au and Pt Supported on TiO_2(110) (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Okazaki, Y.Morikawa, S.Tanaka, K.Tanaka, M.Kohyama
  • 雑誌名: Journal of Materials Science (印刷中)
• [雑誌論文] Electronic Structures of Au supported on TiO_2 (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Okazaki, S.Ichikawa, Y.Maeda, M.Haruta, M.Kohyama
  • 雑誌名: Applied Catalysis A (印刷中)
• [雑誌論文] TEM Observation of Au and Ir Particles Supported on CeO_2 (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Akita, M.Okumura, K.Tanaka, M.Kohyama, S.Tsubota, M.Haruta
  • 雑誌名: Journal of Electron Microscopy (印刷中)