共鳴核反応法と界面敏感分光法による二酸化チタン表面の水素拡散ダイナミクスの解明

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二酸化チタン表面上に吸着した水素による赤外分光の信号強度は微弱であることが報告されており，そのため先行研究例も少ない．和周波発生振動分光の信号強度は赤外分光の信号強度に比例するため，表面に吸着した水素を測定するためには高い効率で信号を得なければならない．そこで，和周波発生振動分光法の検出効率を向上させるためバランス検出の光学系を新たに構築し，アナターゼ型二酸化チタンと同じ対称性を持つPt(533)とPt(553)を対象として実験を行った．この二つの表面はそれぞれ，(100)と(111)ステップが周期的に配列しており，燃料電池における酸素還元反応の効率がPt単結晶面の中で最大付近を示すことが知られている．典型的な表面欠陥の一種であるステップが反応効率におよぼす影響を調べるために重要な表面であるといえる．先行研究では，Pt(533)のステップにおいて水分子は一次元鎖のジグザグ構造をとると予想されているが，一方でPt(553)では，1次元鎖のL字ワイヤー構造や二本鎖構造が提案されている．表面に吸着した水分子の被覆率を制御し，昇温脱離法とヘテロダイン和周波発生振動分光を行うことにより，ステップが吸着した水分子の水素結合ネットワークに与える影響を調べた．結果としてPt(533)とPt(553)では，先行研究で予想されていたように，それぞれジグザグ構造やL字ワイヤー構造を仮定したときに予想される和周波発生振動分光のスペクトルが得られたが，一方で理論計算には現れない表面に配向したOHをもつ水分子がステップ上で観測された．また，ステップに吸着した強い水素結合をもつ水分子が表面に形成される水分子ネットワーク全体の水素結合強度を底上げすることを見出した．これらは表面の水分子が関わる反応を微視的に考える上で重要な成果と考えられ，論文として成果を報告した．