金属原子数を制御した精密担持金属触媒の開発と最も活性な金属原子数・界面構造の決定

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23550001
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 高草木 達 北海道大学, 触媒化学研究センター, 准教授 (30359484)
• 研究分担者: 角山 寛規 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (40390661)
• キーワード: 触媒 / 二酸化チタン / 金クラスター / 表面科学

研究概要

本研究では、単原子から～10 nmまでの厳密に原子数制御した金属クラスターを、極めて小さいサイズ分布で酸化物表面へ担持する方法論の開発を目指している。また担持後のクラスターに関して、様々な表面科学分析手法（STM/AFM、偏光全反射蛍光XAFS法）を適用して原子レベルで構造評価し、反応活性との相関を明らかにすることを目的とする。
本年度はまず、昨年度見出した、酸素プラズマ照射によるクラスター形成とサイズ制御について検討した。ここでは有機保護Au10クラスター([Au10(PPh3)8Cl]Cl)を用いた。この有機保護Au10クラスター活性化するには、有機保護基を除去して、金属表面を露出する必要があるが、通常よく用いられる熱分解では顕著な粒子凝集が起こると考えられるため、酸素プラズマを用いた。TiO2単結晶表面上に有機溶媒に溶解した有機保護Au10クラスターをスピンコート法により担持し、酸素プラズマを照射すると、有機保護基が酸化分解・除去されるとともに、ナノ粒子がTiO2表面上に比較的均一に分散されることを見出した。このときプラズマ照射時間の増加とともにAu表面は徐々に酸化された。さらにスピンコート時のクラスター担持量を変化させると（0.5層～2層）、1～10 nmの範囲で平均クラスターサイズを制御できることを見出した。予想とは異なり、担持量を増やすと粒子サイズが減少し、一方で粒子数密度が高くなった。粒径分布は十分狭いとは言えないため、今後プラズマ条件（酸素圧力、プラズマパワー、照射時間）を詳細に検討することで、より精密な粒径制御へと繋がる可能性がある。
また反応活性評価のための超高真空触媒反応測定装置に関して、試料ホルダ周りの材質を変更し、加熱に伴う脱ガスを低減することで生成ガス検出の高感度化を図った。

研究成果

• [雑誌論文] In Situ back-side illumination fluorescence XAFS (BI-FXAFS) studies on platinum nanoparticles deposited on a HOPG surface as a model fuel cell: A new approach to the Pt-HOPG electrode/electrolyte interface (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiromitsu Uehara, Yohei Uemura, Takafumi Ogawa, Kentaro Kono, Ryoichi Ueno, Yasuhiro Niwa, Hiroaki Nitani, Hitoshi Abe, Satoru Takakusagi, Masaharu Nomura, Yasuhiro Iwasawa, Kiyotaka Asakura
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1039/C4CP00265B
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fine tuning and orientation control of surface Cu complexes on TiO2(110) premodified with mercapto compounds: the effect of different mercapto group positions (2013)
  • 著者名/発表者名: Satoru Takakusagi, Hirotaka Nojima, Hiroko Ariga, Hiromitsu Uehara, Kotaro Miyazaki, Wang-Jae Chun, Yasuhiro Iwasawa, Kiyotaka Asakura
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 15 ページ: 14080--14088
  • DOI: 10.1039/c3cp51425k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Silver-modulated SiO2-supported copper catalysts for selective hydrogenation of dimethyl oxalate to ethylene glycol (2013)
  • 著者名/発表者名: Ying Huang, Hiroko Ariga, Xinlei Zheng, Xinping Duan, Satoru Takakusagi, Kiyotaka Asakura, Youzhu Yuan
  • 雑誌名: Journal of Catalysis 巻: 307 ページ: 74-83
  • DOI: 10.1016/j.jcat.2013.07.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] In situ observation of carrier transfer in the Mn-oxide/Nb:SrTiO3 photoelectrode by X-ray absorption spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Yoshida, Takumi Yomogida, Takehiro Mineo, Kiyofumi Nitta, Kazuo Kato, Takuya Masuda, Hiroaki Nitani, Hitoshi Abe, Satoru Takakusagi, Tomoya Uruga, Kiyotaka Asakura, Kohei Uosaki, Hiroshi Kondoh
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 49 ページ: 7848--7850
  • DOI: 10.1039/c3cc43584a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic growth of a nickel trimer formed on a highly-stepped TiO2(110) surface (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiromitsu Uehara, Muhammad Haneef Bin Hanaffi, Yuichiro Koike, Keisuke Fujikawa, Shushi Suzuki, Hiroko Ariga, Satoru Takakusagi, Wang-Jae Chun, Yasuhiro Iwasawa, Kiyotaka Asakura
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 570 ページ: 64-69
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2013.02.053
  • 査読あり
• [雑誌論文] Density Function Theoretical Investigation on the Ni3PP Structure and the Hydrogen Adsorption Property of the Ni2P(0001) Surface (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroko Ariga, Mayumi Kawashima, Satoru Takakusagi, Kiyotaka Asakura
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 42 ページ: 1481-1483
  • DOI: 10.1246/cl.130710
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of High Flux Ion Source for Size-Selected Nanocluster Ions Based on High Power Impulse Magnetron Sputtering (2013)
  • 著者名/発表者名: Hironori Tsunoyama, Chuhang Zhang, Hiroki Akatsuka, Hiroki Sekiya, Tomomi Nagase, Atsushi Nakajima
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 42 ページ: 857-859
  • DOI: 10.1246/cl.130247
  • 査読あり
• [学会発表] Three-dimensional structure analysis of atomically dispersed metal species formed on a TiO2(110) surface premodified with functional organic molecules
  • 著者名/発表者名: Satoru Takakusagi, Hirotaka Nojima, Hiroko Ariga, Hiromitsu Uehara, Kotaro Miyazaki, Wang-Jae Chun, Yasuhiro Iwasawa, Kiyotaka Asakura
  • 学会等名: he Sixteenth International Symposium on Relations between Homogeneous and Heterogeneous Catalysis (ISHHC-16)
  • 発表場所: 北海道大学（札幌）
• [学会発表] 電気化学的手法を用いたPt/TiO2(110)モデル触媒表面の調製
  • 著者名/発表者名: 高草木達、小川貴史、上原広充、有賀寛子、朝倉清高
  • 学会等名: 第112回触媒討論会
  • 発表場所: 秋田大学（秋田）
• [学会発表] Atomic dispersion of vacuum-deposited metals on TiO2(110) surfaces premodified with functional organic molecules
  • 著者名/発表者名: Satoru Takakusagi, Hirotaka Nojima, Hiroko Ariga, Hiromitsu Uehara, Kotaro Miyazaki, Wang-Jae Chun, Yasuhiro Iwasawa, Kiyotaka Asakura
  • 学会等名: The 9th International Workshop on Oxide Surfaces (IWOX IX)
  • 発表場所: Granlibakken Conference Center (Tahoe, California, USA)
• [学会発表] 酸化物単結晶表面上に高分散した金属種の構造と反応特性
  • 著者名/発表者名: 高草木達
  • 学会等名: 日本表面科学会触媒表面科学研究部会ワークショップ「表面化学の新展開」
  • 発表場所: 北海道大学（札幌）
  • 招待講演
• [学会発表] 酸化物担持有機保護金クラスターへの酸素プラズマ照射によるナノ粒子形成と粒径制御
  • 著者名/発表者名: 高草木達、木工淳、Imran bin Abdul Rahman Mohamad Nabil、上原広充、有賀寛子、朝倉清高
  • 学会等名: 第113回触媒討論会
  • 発表場所: ロワジールホテル豊橋（豊橋）
• [学会発表] 酸素プラズマ照射による酸化物単結晶上に担持した有機保護金クラスターからのナノ粒子形成
  • 著者名/発表者名: 高草木達、木工淳、イムラン ビンアブドルラフマンモハマドナビル、上原広充、有賀寛子・朝倉 清高
  • 学会等名: 日本化学会第94春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学（名古屋）
• [備考] 高草木 達 - 研究者 - researchmap
  • URL: http://researchmap.jp/read0102911/
• [備考] 北海道大学触媒化学研究センター構造制御表面反応場クラスター
  • URL: http://www.cat.hokudai.ac.jp/kouzouseigyo.html
• [備考] 北海道大学触媒化学研究センター表面構造化学研究部門
  • URL: http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~q16691/index.html