[U-12] CO環境の生命惑星化学

[U12-P10] 遷移金属硫化物表面におけるサイト特異的な化学反応：MoS₂ およびFeS₂のXPSによる研究

*吉信 淳¹、尾崎 文彦¹、蕭 維志¹、崔 永賢¹、長田 渉²、田中 駿介¹、向井 孝三¹、堀尾 眞史¹、松田 巌¹、小板谷 貴典³、山本 逹⁴、谷 峻太郎⁵、小林 洋平¹、尾崎 泰助¹、河村 光晶⁵、福田 将大¹ (1.東京大学、2.産総研、3.京都大学、4.東北大学、5.理研)

キーワード：遷移金属硫化物、表面、化学反応、X線光電子分光

遷移金属硫化物（TMS）は、さまざまな化学反応の触媒として広く使用されている。特に、TMSは水素化脱硫反応や水素化脱窒素反応を含む石油精製プロセスにおいて重要な役割を果たしている。最近では、水素発生反応や酸素発生反応などの電気化学反応においても注目されている。さらに、遷移金属硫化物は、前生物的化学プロセスにおける重要な触媒としても提案されている。一部の硫化物は、無機分子から有機分子への変換を触媒する能力があり、生命の起源に関する仮説において重要な役割を果たしている。特に、これらの鉱物は、深海熱水噴出孔の環境下で電子を供給し、COなどの還元を促進する。
本研究では、典型的な遷移金属硫化物である二硫化モリブデン（MoS₂）と黄鉄鉱（FeS₂）の表面を精密に制御し、その電子状態と化学的性質を調べた。MoS₂単結晶を超短パルスレーザーで切断してエッジ表面を作製し、その電子状態をXPSで選択的に観測した。エッジ表面の価電子帯スペクトルは金属状態を示した。さらに、Mo 3d XPS スペクトルには配位不飽和なMo原子に対応する成分が観測された。室温で水分子がエッジ表面のみで解離し、エッジの配位不飽和なMo原子が水解離の活性サイトであることを解明した。さらに、CO₂はMoS₂のエッジ表面で解離するが、基底面では解離しない。FeS₂の場合、FeS₂表面の硫黄空孔がNO解離に重要な役割を果たしている。低/高欠陥FeS₂(100)表面に300 Kで吸着したNOのXPS分析を行った。その結果、300 Kで2 torrのNOに曝露した後、低欠陥表面では部分的に酸化されていない鉄が残っているのに対し、高欠陥表面では完全に酸化された鉄のみが観察された。S-vacancyは、FeS₂(100)表面におけるNOの解離を促進した。さらに、2種類の酸素種が表面に残り、少量の窒素が表面に残った。これらの結果から、酸素種は表面に残るが、窒素原子は表面から脱離する際にN₂に再結合することが示唆された。