2020 Fiscal Year Annual Research Report
結晶面・格子歪みの精密制御による高反応性格子酸素の設計
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20H02824
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
北條 元 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90611369)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永長 久寛 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (90356593)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 形態制御型ナノ粒子 / 透過電子顕微鏡 / 電子エネルギー損失分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酸化物触媒における格子酸素の反応性は、しばしばその触媒活性に大きな影響を与える。本研究はCeO2を対象として、高い反応性の格子酸素を実現するための材料設計指針を確立することを目的としている。
2020年度は反応性制御指針の1つとして結晶面に着目して研究を進めた。主に{100}面が露出した立方体、および主に{111}面が露出した八面体に形態を制御したCeO2ナノ粒子を水熱合成法により作製し、その格子酸素の反応性を水素ガスを用いた昇温還元測定により評価した。結果、立方体CeO2が、八面体CeO2に比べて低い温度で還元され始めることがわかった。これは第一原理計算により求められた各表面での酸素空孔形成エネルギーEvacの序列(Evac{100} < Evac{111})に対応する結果である。また、CO酸化活性試験においても立方体CeO2が高い活性を示すことを確認した。これらの結果は{111}面に比べて{100}面の格子酸素の反応性が高いことを示唆している。続いて、これらの試料について、原子分解能の走査透過電子顕微鏡を用いてCeのM吸収端における電子エネルギー損失分光測定を行った。表面近傍でのCeの価数を調べたところ、{100}面の方がより内部までCeが3価として存在していることがわかった。酸素空孔量が存在する場合、Ceの価数は化学量論であるCeO2の4価から3価に減少することが知られている。すなわち、{100}面により多くの酸素空孔が存在していることがわかった。これらの結果は、表面での酸素空孔量と格子酸素の反応性には相関が存在することを示唆している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
{100}面が露出した立方体CeO2と{111}面が露出した八面体CeO2ナノ粒子について、格子酸素の反応性と表面における酸素空孔量を詳細に調べた結果、それらの相関についての知見が得られつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
八面体CeO2に比べて立方体CeO2の表面により多くのCeが3価の状態で存在する傾向は明らかになりつつあるが、両者にはまだ粒子径の分布に違いがあるため確定的ではない。2021年度は合成条件を最適化することで、粒子径の揃った、所望の径のCeO2ナノ粒子の合成手法の確立する。また、歪み制御のために種々の単結晶基板上へCeO2薄膜の作製を行い、詳細な原子構造・電子状態解析を進める。これらの試料について格子酸素の反応性を評価することで、格子酸素の反応性を制御する因子を抽出する。
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