二酸化チタン (TiO2) は、古代から白色顔料として使用されてきた一般的な材料です。しかし今日では、そのいわゆる光触媒特性、つまり光を吸収して化学反応を触媒する能力で、科学界ではよく知られています。これは、太陽光エネルギーを使用して化学反応を促進するプロセスです。たとえば、水を酸素と水素に分解したり、CO2 を合成燃料に還元したり、空気、水、土壌中の有毒化合物を分解したりします。
二酸化硫黄 (SO2) は、化石燃料の燃焼中に放出される有毒な大気汚染物質であり、TiO2 表面の光触媒作用によって煙道ガスから直接除去できることが示されています。また、適切な反応伝導の下で、SO2 分子は TiO2 表面にしっかりと結合し、長期的な光触媒性能を拡張し、表面を親水性 (水を引き付ける) にする方法で硫酸塩にさらに酸化される可能性があることも示されています。 ).
これらの理由から、SO2 が TiO2 の表面でどのように反応するかについての基本的な知識を得ることは非常に興味深いことです。 IRRAS (赤外線反射吸収分光法) と呼ばれる特別な種類の赤外線分光法を、量子力学モデリングに基づくシミュレーションと組み合わせて使用することで、ルチル型 TiO2(110) 単結晶表面上の SO2 分子の詳細な配向を特定することが可能になりました。
IRRAS 技術は、化学的同一性、結合強度、および表面での分子の配向に関する独自の情報を提供します。結合形状は、TiO2 結晶のさまざまな方向に沿って入射する直線偏光で IRRAS を測定することによって評価されます。表面の結合方向が異なる分子は、特定の偏光および入射方向の光に対して異なる反応を示します。量子力学計算を使用して安定した吸着配置を計算することにより、そのような応答をシミュレートし、測定結果と直接比較することができます。
このような実験的および理論的な作業の組み合わせにより、超高真空環境における SO2 と単結晶ルチル型 TiO2(110) 間の相互作用の独自のマッピングが可能になりました。この結果は、以前に報告されたデータの再解釈につながり、SO2 は最初に亜硫酸塩のような表面種を形成し、次に酸素原子空孔および水とさらに反応して表面に結合した硫酸塩種を形成すると主張しています。
これらは、プロトン源として機能する酸性特性により、親水性と強化された光触媒活性を誘発する、しっかりと結合した分子です。これらの表面種は、高温の酸素雰囲気で紫外線を照射すると形成されることを以前に示しました。私たちの最近の調査結果は、酸素空孔を含む表面に水の存在下でも形成される可能性があることを示唆しています.
この調査結果は、ルチル TiO2(110) への SO2 吸着というタイトルの記事で報告されています。赤外線反射吸収分光法と密度汎関数理論の研究で、最近 Surface Science 誌に掲載されました。 .この作業は、スウェーデンのウプサラ大学の David Langhammer、Jolla Kullgren、Pavlin Mitev、Lars Österlund によって行われました。
