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燃料電池、特に低温で使用する固体高分子型燃料電池(PEFC)において、高性能電極触媒の開発は実用化に向けた重要な技術的課題である。その開発に向けた試みの一つとしてナノクラスター化がある。これは、クラスターの量子サイズ効果を期待したものである。構造としては、白金ナノクラスターなどの触媒が導電性電極に分散・固定されたものになるが、この時ナノヘテロ界面の理解が必要不可欠となる。本研究では、貴金属クラスターを担持したモデル電極を対象として、走査プローブ顕微鏡によるクラスターの電位と個/液界面での電気二重層の測定を行い、ナノ領域での電極/クラスター/溶液界面の性質を静電ポテンシャルによって整理することを試みる。
本年度は、クラスターの電位の詳細を調べるために、Auクラスターをグラファイトや酸化チタンに担持したモデル電極を対象として、超高真空中でのLBHおよびKFM測定を実施した。LBHとKFMはともに表面電位を評価する手法であるが、LBHは高い空間分解能を有し、KFMは絶対値を測定できるという特徴を有する。
LBHのクラスターサイズ依存性を調べた結果、クラスターの表面電位はクラスターサイズが0.4nm以下になると急激に減少した。このサイズは、クラスターの量子サイズ効果が発現するサイズに一致しており、両者に相関があることが明らかになった。一方、KFM測定においては、表面電位の測定値は、クラスターサイズの増加に伴って単調に増加した。これを詳細に解析したところ、KFMにおける表面電位のサイズ依存性は、静電気力に基づく解析モデルとよく一致することが明らかになった。さらに、この解析モデルを用いて酸化チタンに担持したAuクラスターにおける界面での電荷移動を見積もったところ、1平方ナノメートル当たり0.06電子という非常に小さい量であることを見出した。以上の結果より、LBHとKFMという2種類の手法の特徴を生かして使い分けることで、ナノヘテロ界面の静電ポテンシャルを極めて精密に測定できることが示された。
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