水素誘起金属表面ナノ構造の形成とその化学反応性

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本年度は前年度に引き続いて、Rh(111)表面におけるシクロヘキサンの相互作用と反応性、及びそれらに対する共吸着水素の影響をテーマに研究し結果を論文にまとめた。まず、シクロヘキサン-Rh表面間相互作用が示す同位体効果に関して、複数の実験手法を用いて研究を行った。実験結果を解析することにより、D体(C_6D_<12>)の吸着ポテンシャルはH体(C_6H_<12>)よりも浅く、吸着分子-表面間相互作用に同位体効果が存在することが分かった。この同位体による違いは水素結合で見られるものと同様であることから、シクロヘキサン-Rh表面間相互作用に水素原子核の量子性に起因する同位体効果が存在することが明らかになった。また、Rh(111)表面を水素で飽和するとシクロヘキサン-Rh表面間相互作用は消失するが、その起源についてはまだよく分かっていなかった。そこで、走査トンネル顕微鏡及び光電子分光法で吸着分子の吸着構造と電子状態を調べ、相互作用減衰のメカニズムの解明を目指した。実験結果から、水素の飽和吸着により(1)分子-Rh表面間距離の増大、および(2)分子非占有軌道と金属dバンドのエネルギー差の拡大が起こり、これら2つの要因によってシクロヘキサン-Rh表面間の相互作用が弱くなることが明らかになった。このほかにも、CO_2と水素の触媒反応によるメタノール合成の反応メカニズムの解明のため、Cu(997)表面におけるCO_2の活性化を調べた。赤外反射吸収分光により、83KにおいてCO_2の解離反応が起こり、COが生成していることが明らかになった。解離が起こる温度は、物理吸着CO_2分子の脱離温度と同程度であり、Cu(997)表面におけるCO_2解離反応の活性化エネルギーが小さいことを示唆している(およそ30kJ/mol)。