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

2005 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16360319
• 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, 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, 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, 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, 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, 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, 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 / ナノ触媒 / 第一原理計算 / 走査プローブ顕微鏡 / 界面ストイキオメトリ

研究概要

金属ナノ粒子が酸化物に接合した金属/酸化物ナノヘテロ界面系は、化学的・電子的に優れた機能を発現し、触媒やエネルギー材料として期待される。金属微粒子のナノサイズ効果や異なる物質間のヘテロ界面効果が機能の源泉と考えられるが、メカニズムは未解明である。本研究では、貴金属/酸化物ナノヘテロ界面系の触媒機能のメカニズムを、電子顕微鏡観察・表面科学実験・第一原理計算の三つの緊密な連携により解明することを目的とする。前年度に引き続き、貴金属/酸化物ナノヘテロ界面系の原子配列や電子状態、及び雰囲気依存性を実験的に探り、メカニズムを検討した。(1)電顕観察では、Au/CeO_2系について(111)[1-10]Au//(111)[1-10]CeO_2の優先方位関係を見出した。また、電顕観察中にAu粒子の大きさや形態(接合角)が動的に変化し、同時に電子線によりCeO_2担体に酸素欠陥が生じ、規則構造を形成することを見出した。電子線照射をやめると、欠陥は酸素吸収で速やかに回復し、Au粒子の形態も連動して変化する。以上の結果は、雰囲気と照射により担体構造や表面・界面のstoichiometryやエネルギーが大きく変化し、同時にAu原子の拡散能も大きく変化することを示唆する。(2)表面科学実験では、触媒反応雰囲気下の構造変化を探るため、Au/TiO_2系のSTMによるin situ観察を行った。O_2中加熱により、TiO_2表面構造はTi-richな(1x2)からstoichiometricな(1x1)に変化した。変化が生じた領域でAu粒子が表面を拡散する様子が観察された。これは表面stoichiometry変化が粒子成長を誘起する可能性を示唆し、O_2中で加熱するとAu粒子径の増大が見られるが、真空やCO中で加熱しても粒径の増大は見られなかった。(3)雰囲気依存構造変化は、各種stoichiometryの金属/TiO_2系の第一原理計算から、stoichiometry変化による界面エネルギーや特性の変化として、統一的に捉えられる。以上の見地から、触媒機能について考察した。

研究成果

• [雑誌論文] Analytical TEM Observation of Au Nano-Particles on Cerium Oxide (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Akita, M.Okumura, K.Tanaka, M.Kohyama, M.Haruta
  • 雑誌名: Catalysis Today (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 40 ページ: 3075-3080
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] TEM Observation of Gold Nanoparticles Deposited in 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 40 ページ: 3101
• [雑誌論文] Electronic Structure 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 291 ページ: 45
• [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 54 ページ: 81
• [雑誌論文] Analytical TEM Observation of Gold Nano-Particles on Cerium Oxide (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Akita, K.Tanaka, M.Kohyama, M.Haruta
  • 雑誌名: Materials Research Society Symposium Proceedings 900E ページ: 0900-O06-37.1