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本研究では、金属触媒に対する物理化学的な知見と反応触媒の設計指針を得るために,触媒の機能性に関する研究を,複合金属クラスターを微視的モデルとして研究を進めた。有限個の原子・分子が集合したクラスターの中でも,特に触媒としての視点を重視した元素の多元系として、(a)合金系(ニオブ-アルミニウム、金-パラジウム、金-亜鉛)と(b)半導体系(希土類金属、遷移金属-シリコン)、および(c)酸化物系(バナジウム酸化物)の3系を取り上げた。また、基板担持の手法としてソフトランディング手法を確立し、触媒機能を気相多元系合金クラスターの選択的蒸着によって実現する道筋を確立した。
生成では2台のパルスレーザーによるレーザーアブレーションを用い、電子物性の評価ではクラスター負イオンの光電子分光を主に用いた。その結果、(a)合金系では電子物性の変化を水素分子との反応活性と関連付けることは難しく、幾何構造との相関を考慮することの重要性を見出した。また、Au^-_nクラスターのAu原子1つをPd原子で置き換えた場合には,Pd原子がAuクラスターと結合を生成させるために,閉殻である4d電子を空である5s軌道に昇位させて,安定化していることがわかった。一方、(b)半導体系では、電子物性の評価を、反応活性と極めて強く関連付けることができ、シリコン原子16個と遷移金属原子1個の金属内包かご構造を見出すことに成功した。さらに、(c)酸化物系では、金属クラスター内に10%以内の酸素原子は不純物として取り扱うことが可能であるが、それ以上の酸素混入では大きな構造転移が誘起されることを見出した。例えば、酸化バナジウムクラスターではクラスターサイズの増加による電子親和力の増加が観測され、バナジウム原子の3d軌道と酸素原子の2p軌道が混成することを見出した。以上のように,複合金属クラスターの光電子スペクトルの測定から電子物性を解明し,異なる2種類の元素の複合作用に関する知見を得た。