著者

杉本 敏樹

出版者

公益社団法人 日本表面真空学会

雑誌

表面と真空 (ISSN:24335835)

巻号頁・発行日

vol.66, no.10, pp.580-586, 2023-10-10 (Released:2023-10-10)

参考文献数

24

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Environmentally sustainable and selective conversion of methane to valuable chemicals under ambient conditions is pivotal for the development of next-generation photocatalytic technology. However, the lack of microscopic knowledge on its reaction mechanism prevents the development of engineering strategies for methane photocatalysis. Here we introduce key molecular-level insights into the photocatalytic green utilization of methane. Activation of the robust C–H bond of methane is hardly induced by the direct interaction with photogenerated holes trapped at the surface of photocatalyst ; instead, the C–H activation is significantly promoted by the photoactivated interfacial water species. The interfacial water hydrates and properly stabilizes hydrocarbon radical intermediates, thereby suppressing their overstabilization. Owing to these water-assisted effects, the photocatalytic conversion rates of methane under wet conditions are dramatically improved by typically more than 30 times at ambient temperatures (~300 K) and pressures (~1 atm) in comparison to those under dry conditions.

著者

杉本 敏樹

出版者

分子科学会

雑誌

Molecular Science (ISSN:18818404)

巻号頁・発行日

vol.14, no.1, pp.A0112, 2020 (Released:2020-08-27)

参考文献数

75

被引用文献数

1

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Interfacial phenomena, in which water molecules are deeply involved, are critical subjects in basic and applied research in a wide range of fields, including physics, chemistry, and biology. In the symmetry-breaking interfacial systems, molecular orientation is key structural parameter that determines the functional properties of water molecules. However, orientation of water molecules, i.e. configuration of hydrogens, in the interfacial hydrogen-bond network has been extremely difficult to be investigated by traditional structure-analysis techniques such as electron diffraction, grazing X-ray scattering and even scanning probe microscopy, because hydrogen has only a single electron and responds extremely weakly to the probes of these techniques; thus, the determination of molecular orientation of interfacial water systems has been an experimental challenge. We have recently tackled the challenges of elucidating the orientational structures of water molecules on metal surfaces by using cutting-edge nonlinear optical spectroscopy, i.e. heterodyne-detected sum-frequency generation (HD-SFG) spectroscopy. In this review article, brief descriptions of the basic concept of SFG spectroscopy as a hydrogen-configuration sensitive probe are followed by overviews of our current understanding of the adsorption geometry and rotational ordering of water molecules on representative metal surfaces and ice-film surfaces.

著者

佐藤 宏祐 杉本 敏樹

出版者

公益社団法人 日本表面真空学会

雑誌

表面と真空 (ISSN:24335835)

巻号頁・発行日

vol.63, no.9, pp.476-481, 2020-09-10 (Released:2020-09-10)

参考文献数

19

被引用文献数

2

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Photocatalytic steam-methane reforming is an attractive chemical technology for hydrogen production from abundant resources of methane and water. In the case of photocatalytic reaction, photo-generated electron plays key roles in hydrogen production. However, the dynamics of photogenerated electrons under reaction condition have been unclear. To uncover the behavior of reactive photo-excited electrons, we conducted operando FT-IR spectroscopy of metal loaded Ga2O3 photocatalysts under irradiation of intensity modulated UV light. We succeeded in observing a correlation between the reaction activity and a broad mid-infrared absorption band derived from the photo-generated electrons shallowly trapped at the photocatalyst surfaces.

著者

杉本 敏樹 福谷 克之

出版者

一般社団法人 日本物理学会

雑誌

日本物理学会誌 (ISSN:00290181)

巻号頁・発行日

vol.71, no.10, pp.668-678, 2016-10-05 (Released:2017-04-21)

参考文献数

63

被引用文献数

1

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核スピンの存在は,量子力学創成期,電子スピン発見から2年後の1925年に証明された.その画期的な発見は,コペンハーゲンのBohr研究室に留学中の堀健夫(朝永振一郎の義兄)による水素分子の分光研究に端を発する.堀は,電子励起スペクトルにおいて,回転量子数が偶数を起点とするスペクトル強度と奇数を起点とする強度に違いがあり,その比が1対3となることを発見した.この実験事実に基づき,Dennisonは陽子が大きさ1/2のスピンを持つフェルミ粒子であることを明らかにし,水素分子には核スピン量子状態が異なるオルト・パラ異性体が存在することを証明した.このように,水素分子は量子力学の発展に大きな貢献を果たす一方で,宇宙に最も豊富に存在する分子種として星間空間における物理・化学過程に重要な役割を果たしている.近年,遠赤外線天文観測技術の進歩によって星間分子雲中の水素分子の分光が行われ,オルト/パラ比から求まる核スピン温度が回転温度と一致しないという観測結果がしばしば報告されている.回転温度と核スピン温度は観測した分子雲環境の現在と過去の温度を反映していると考えられており,これらを解析することで星間分子雲の熱履歴や年齢,さらには星形成メカニズムの解明につながると期待されている.水素分子の核スピン温度を星間分子雲の過去の温度計として使用する場合,核スピン温度が「具体的にどの程度の時間スケールの過去の温度」を反映しているのかを知る必要がある.核スピン多重度の変化を伴う水素分子のオルト–パラ転換は気相の孤立系では非常に遅く実質的には起こらない.しかし,物質との相互作用によって転換が誘起されるため,種々の星間物質表面での転換確率を実験で明らかにする必要がある.応用上も,水素は燃焼時に温室効果ガスや有害ガスを発生しないクリーンな燃料として家庭用や自動車用の燃料電池で利用されるほか,ロケット燃料としても利用されてきた.水素を大量に貯蔵する方法として液化貯蔵があるが,オルト水素が混在する水素ガスを液化する際にはオルト–パラ転換に起因するボイルオフが問題となる.これを回避するため,オルト水素をあらかじめパラ水素に転換させてから低温貯蔵する必要があり,そのために古くから磁性体を利用したオルト–パラ転換触媒の開発が進められてきた.磁性体表面に吸着した水素分子は,表面電子スピンの磁気双極子に起因した不均一磁場でオルト–パラ転換が促進されることが1933年にWignerによって理論的に示されている.それ以来,電子磁性を持たない反磁性物質の表面ではオルト–パラ転換は誘起されないと信じられてきた.1980年代に入り真空技術が進歩するのに伴い,原子レベルで構造や電子状態を規定した清浄表面が得られるようになると,従来は転換を誘起しないと考えられてきた銀・銅等の反磁性金属表面や,極性を有する水分子が凝集したアモルファス氷等の反磁性絶縁体表面においてもオルト–パラ転換が促進されることが次々に明らかになってきた.近年の実験・理論研究によって表面の局所磁場のみならず電荷移動や表面の局所電場によってオルト–パラ転換が誘起されることが示され,固体表面と吸着子が織りなす多彩な磁気・電気的相互作用の全容が解明されつつある.