Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

クラスター / ナノ粒子 / レーザー蒸発 / 熱脱離分析 / シャドウグラフ / ナノシリカ / 金属酸化物 / キャビテーションバブル / 液相レーザーアブレーション / 触媒 / 保護剤 / シリカ

ナノメートルおよびサブナノメートルサイズのナノ粒子・クラスターは、バルクの物質にはない、新しい物理的・化学的性質を示す。本研究では、まず気相クラスターの手法を用いて、どのような金属・金属酸化物およびそれらの複合系ナノ粒子・クラスターがどのような反応性を示すのかを系統的に調べた。また、液相中にナノ粒子・クラスターを生成する汎用かつ物理的な手法である液相レーザー蒸発法をより精密化すると同時に、シャドウグラフ測定装置を立ち上げてナノ粒子・クラスターの生成の際に生じるキャビテーションバブルを観測し、生成条件の最適化を行った。

クラスター / 昇温脱離 / 反応 / 脱離 / 質量分析 / レーザー蒸発 / 活性化エネルギー / 酸化物クラスター / 金属クラスター / 組成依存 / TPD / 酸素脱離 / セリウム / マンガン / 酸化物 / 気相 / 反応性 / 化学量論 / ジルコニア / セリア

排ガス後処理触媒として有望な元素の組み合わせおよび組成を、気相の多元素クラスターの反応性を網羅的に調べることにより迅速に探索できるようにすることを目指した。銅およびセリウム酸化物クラスターの加熱による酸素脱離および一酸化窒素など小分子との反応について調べたところ、クラスターの酸素原子数の化学量論比からの変位が、加熱による酸素脱離の温度域および活性化エネルギー、そして小分子との反応性の有無と関連していることが分かった。本研究では、この気相昇温脱離法が多元素クラスターの生成・反応・脱離などの過程について、他の実験・理論と比較可能な知見を提供できることを示すことに成功した。

合金クラスター / 触媒機能 / 電子物性 / 金属内包かご構造 / 複合作用 / 光電子分光 / ソフトランディング / クラスター / 合金 / レーザー蒸発 / 吸着反応性 / 幾何構造 / 幾何異性体

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。

【研究分担者】
宮島謙	東京大学	大学院総合文化研究科	助教	(Kakenデータベース)