単一原子触媒表面における光化学反応の単一分子レベル解析

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酸化物などの担体に単一の金属原子が分散して取り込まれた「単一原子触媒」が近年新たな触媒材料として注目を集め、光化学反応を誘起する単一原子触媒も開発され始めている。単一原子触媒の反応は単一金属原子上で起こると考えられているにもかかわらず、空間分解能がない計測手法の平均的な応答に基づき機構が議論されてきたため、触媒作用の機構は未解明である。触媒機構の解明には、活性点の局所電子状態解析と反応の実空間観測・解析が必要不可欠である。本研究は、光化学反応を誘起する単一原子触媒における触媒作用の機構解明を目指す。原子レベルの空間分解能をもつ走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いて、触媒表面の活性点である単一金属原子の電子状態評価ならびに単一分子の光化学反応を実空間で観測・解析することで、単一原子触媒中の単一金属原子がどのように反応に寄与するのかといった基礎的知見を獲得し、触媒の設計指針を提案する。本研究ではパルスレーザー堆積（PLD）装置を用いて単原子触媒を作製する。初年度である2020年度は、現有のPLD装置に金属原子をスパッタするための機構を組み込む改良を行った。担体としてアナターゼ酸化チタンを最初の検討対象とする。STMで測定可能な導電性の試料を作製するため、導電性酸化物の上にアナターゼ酸化チタンを作製するための条件を探索した。まず、格子定数を考慮し導電性酸化物の下地となる2種類の基板を用いてその上に導電性酸化物を作製し、さらにその上にアナターゼ酸化チタンの薄膜を作製した。X線結晶構造解析と原子間力顕微鏡による表面分析を行い、どちらの基板上に結晶性の高いアナターゼ酸化チタン薄膜を作製可能か調べた。