金属表面ナノサイズの反応機構、新しい光触媒の開発へ

この星では今、人類が持続可能な社会に向けて様々な取り組みを始めている。クリーンで再生可能なエネルギーの活用もそのひとつであり、太陽光はその約半分を占める可視光の有効利用により、電源になったり、有害物質を分解する触媒になったりする。

世界では太陽電池や光触媒の研究開発が盛んだという。理化学研究所 研究員らの国際共同研究グループは、工業用途の有害物質ジメチルジスルフィド(DMDS)分子が、表面プラズモン共鳴現象によるナノ(10億分の1)メートル領域に局在した光によって分解することを発見。単一分子の化学反応を実空間、実時間で観測することに成功し、従来のホット電子由来説と異なる新たな反応機構を提案した。

金属のナノ構造を用いると、その表面を覆う自由電子雲が入射光の電場振動に共鳴して集団的に振動する、プラズモンによって、可視光を金属表面近傍のナノ領域に集光できる。「ナノの光」は入射光よりも遙かに強いことから、可視光の高効率エネルギー変換が可能になるとして、近年注目されていた。が、ナノの光が起こす化学反応は直接観測が困難であり、反応機構は未解明で応用研究への課題が多く残されていたという。

国際共同研究グループは、原子レベルの空間分解能を持つ走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて、プラズモンによる化学反応の直接観測を試みた。そして、STMの探針と金属基板との隙間(ナノギャップ)への照射光で生成できるプラズモンを利用し、銀および銅の基板に吸着したDMDS分子の分解に成功した。実空間および実時間観測も成し遂げ、プラズモンによって「分子内直接励起」が高効率で起こっていることを明らかにした。

分子と金属の界面における相互作用の制御により、反応に要する光エネルギーの調節や、反応機構のコントロールができるため、新しい光触媒の開発につながると期待される。研究成果は、米国科学雑誌「Science」に掲載された。

ナノの光で起こる化学反応


カテゴリー: 情報通信 , エネルギー   

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