(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラスター生成室において、レーザ蒸発、イオンスパッタリングまたはプラズマ放電によって、複数種類の元素を互いに異なる比率で含む複数種類のクラスターを気相中に生成させ、
生成された複数種類のクラスターを、そのまままたは質量分析器に導入して所定の元素、組成、総原子数を持ったクラスターイオンを選別した後反応対象物質と反応させ、
反応後の反応生成物を、質量分析器を用い、複数種類のクラスター別に同定することで複数種類のクラスター別の反応程度を測定し、
クラスター構成物質と、前記反応対象物質との反応を解析する反応解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記複数種類のクラスターは、複数種類の元素を互いに異なる比率で含むクラスターの他に、さらに総原子数が異なるクラスターを含むことを特徴とする反応解析方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、
前記複数種類のクラスターと反応対象物質の反応は、冷却室において、クラスターに反応対象物質を吸着させた後、反応室で温度を上昇し、両者を反応させて行う反応解析方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法において、
複数種類のクラスター別の反応生成物の同定は、複数種類のクラスターをそのサイズに応じて選別することで、反応生成物を選択する反応解析方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法において、
前記測定では、質量分析器を用い、クラスターの種類別の質量スペクトルを得る反応解析方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、
前記質量分析器の質量数の分解能は、４０００を超える反応解析方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法において、
前記気相中におけるクラスターの発生は、レーザ蒸発、イオンスパッタリング又はプラズマ放電によって行う反応解析方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法において、
前記解析の対象となる反応は、触媒反応である反応解析方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法における、前記解析により得られた反応程度からその触媒反応に適したクラスターの種類を決定し、決定された種類のクラスターを含む触媒を製造する触媒の製造方法。
【請求項１０】
請求項９の製造方法によって得られた触媒。
【請求項１１】
レーザ蒸発、イオンスパッタリングまたはプラズマ放電によって、複数種類の元素を互いに異なる比率で含む複数種類のクラスターを気相中に生成させるクラスター生成部と、
生成された複数種類のクラスターを、そのまままたは質量分析器に導入して所定の元素、組成、総原子数を持ったクラスターイオンを選別した後反応対象物質と反応させる反応部と、
質量分析器を用い、反応後の反応生成物を複数種類のクラスター別に同定することで複数種類のクラスター別の反応程度を測定する測定部と、
を有し、
クラスター構成物質と、前記反応物質との反応を解析する反応解析装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において、
前記複数種類のクラスターは、複数種類の元素を互いに異なる比率で含むクラスターの他に、さらに総原子数が異なるクラスターを含む反応解析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クラスターを利用した反応の解析に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、各種の分野において物質同士の化学反応を利用して、目標とする物質を得たり、所定の物質を分解して除去するなどの処理が行われている。このような反応の中に触媒反応があるが、この触媒反応においては触媒の原子数、元素比、元素分布、構造などによっても、活性度が異なることが知られている。従って、この触媒反応を効率的に行わせるための条件の探索は非常に難しい。
【０００３】
一方、ナノテクノロジーなど、非常に微小なサイズの物質を取り扱う技術が開発されてきており、このような技術を利用することによって、各種の反応の機構が解明されることが期待されている。
【０００４】
例えば、「Adsorption and Reaction of Methanol Molecule on Nickel Cluster Ions, Nin+(n=3-11)」J.Phys. Chem. A 2000, 104 11885-11890 には、スパッタにより生成したニッケルクラスター上でのメタノールの吸着や脱水素反応を調べることが記載されている。そして、クラスターのサイズが反応に影響を及ぼすことが示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記従来例では、対象とするクラスターのサイズが限定されたり、不十分な分解能で反応生成物を選別するという問題があり、より適切な解析を行うことが望まれていた。
【０００６】
本発明は、触媒反応などの反応について、適切な解析が行える反応解析方法、反応解析装置、触媒の製造方法および触媒を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、クラスター生成室において、レーザ蒸発、イオンスパッタリングまたはプラズマ放電によって、複数種類の元素を互いに異なる比率で含む複数種類のクラスターを気相中に生成させ、生成された複数種類のクラスターを、そのまままたは質量分析器に導入して所定の元素、組成、総原子数を持ったクラスターイオンを選別した後反応対象物質と反応させ、反応後の反応生成物を、質量分析器を用い、複数種類のクラスター別に同定することで複数種類のクラスター別の反応程度を測定し、クラスター構成物質と、前記反応対象物質との反応を解析することを特徴とする。
【０００８】
このように、本発明によれば、複数種類のクラスター別の反応対象物質との反応を個別に解析する。従って、複数元素の比率や複数元素の分布などについての反応に対する影響を解析することができる。さらに、物質の総原子数の反応への影響なども調べることができる。従って、触媒反応などにおいて、いろいろな製法で作ってみてどれが活性が高いかなどというマクロ的な探索ではなく、最終的な目標となる触媒の構成を先に求めることができ、目標となる構成を実現するための製法を模索すればよい。従って、解析結果に基づいて、触媒の探索等を非常に効率的に行うことができる。
【０００９】
また、本発明は、複数種類のクラスターを気相中に生成させるクラスター生成部と、生成された複数種類のクラスターを、そのまままたは選別した後反応対象物質と反応させる反応部と、反応後の反応生成物を複数種類のクラスター別に同定することで複数種類のクラスター別の反応程度を測定する測定部と、を有し、クラスター構成物質と、前記反応物質との反応を解析することを特徴とする。
【００１０】
また、前記複数種類のクラスターと反応対象物質の反応は、冷却室において、クラスターに反応対象物質を吸着させた後、反応室で温度を上昇し、両者を反応させて行うことが好適である。反応対象物質を予めクラスターに吸着させることができ、反応室で確実な反応が行える。
【００１１】
また、複数種類のクラスター別の反応生成物の同定は、複数種類のクラスターをそのサイズに応じて選別することで、反応生成物を選択することが好適である。触媒反応などでは、総原子数に基づくクラスターのサイズによって、反応に大きな影響がでる場合が多い。好適なサイズを知ることで、触媒の最適設計などが容易になる。
【００１２】
また、 前記測定では、質量分析器を用い、クラスターの種類別の質量スペクトルを得ることが好適である。
【００１３】
また、前記質量分析器の質量数の分解能は、４０００を超えることが好適である。これによって、反応生成物について、精度よく分離することができ、正しい解析が行える。
【００１４】
また、前記気相中におけるクラスターの発生は、イオンスパッタリング、プラズマ放電、レーザー蒸発によって行うことが好適である。これによって、広範囲のサイズのクラスターを試験することができる。
【００１５】
また、前記解析の対象となる反応は、触媒反応であることが好適である。
【００１６】
また、得られた反応程度からその触媒反応に適したクラスターの種類を決定し、決定されたクラスターを含む触媒を得ることが好適であり、本発明は得られた触媒も対象としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、実施形態のシステムの全体構成を示す図である。クラスター生成室１０では、複数種類のクラスターが発生される。ここで、複数種類とは、複数元素が任意比率で混在するものや、複数元素で複数のクラスターサイズのものであってもよい。
【００１９】
また、クラスターの発生には、レーザ蒸発法、プラズマ蒸発法、イオンスパッタリング法などが採用されるが、本実施形態ではレーザ蒸発法が一例として採用されている。すなわち、クラスター生成室１０の内部には、クラスター構成元素のターゲット（固体試料）が収容され、このターゲットに外部レーザ光源からのレーザ光が照射される。ターゲットは、金属単体、合金、酸化物など所定のクラスターの構成物質からなっている。そして、このレーザ光によって、ターゲットの照射部分が高温になり、クラスターが気相中に放出される。照射するレーザの強度は、例えば２０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ程度の高強度で、２ｋＨｚ程度の高繰り返し周期のものを利用する。これによって、質量数４０００を超えるクラスターを発生することができる。なお、さらにレーザー強度を上げることで、より大きなクラスターを得ることも好適である。
【００２０】
クラスター生成室１０には、ヘリウムやアルゴンなどの希ガスが導入されており、レーザ照射により気相（希ガス）中に放出された原子や、クラスターは気相中で凝縮し、クラスターイオンとなる。ここで、気相中には、ヘリウムやアルゴンなどの希ガスの他、必要に応じて反応気体を混合しておき、クラスターイオンの含有元素や組成および総原子数を制御するとよい。
【００２１】
クラスター生成室１０において生成されたクラスターイオンは、８極子イオンガイド１２中に導入され、この８極子イオンガイド１２によって冷却室１４に輸送される。この冷却室１４には、所定の低温の希ガスが導入混合される。これによって、冷却室１４内において、クラスターイオンと冷却された希ガス原子等が衝突させて冷却する。実際的には、温度が７７Ｋ程度になるように冷却する。なお、この冷却は、冷却された希ガスを直接混合することによって行うが、冷却室１４の周囲を冷却することで、希ガスおよびクラスターイオンを冷却してもよい。この冷却操作により、次段の質量分析器１８におけるクラスターイオンのサイズに基づく選別効率が上がり、反応対象物質（反応分子）との衝突エネルギーの分解能が著しく改善される。
【００２２】
次に、冷却室１４からのクラスターイオンは、８極子イオンガイド１２によって、質量分析器１８に導入され、ここでクラスターサイズによる選別が行われる。本実施形態では、質量分析器１８として、四極子質量分析器が採用されており、この質量分析器１８によって、生成クラスターイオンの中から所定の元素、組成、総原子数を持ったクラスターイオンを選別する。なお、四極子質量分析器は、従来より知られたものであり、構成についての説明を省略する。また、本実施形態においては、四極子質量分析器として、分解能の高いものを採用している。具体的には、質量数４０００を超えるクラスターについてのも精度よく分離できる質量分析器を使用している。これによって、比較的大きなクラスターイオンについても、精度よく分離することができる。
【００２３】
特に、分解能を高めるためには、四極子質量分析器に代えて、磁場偏向型質量分析器を用いることが好適である。この磁場偏向型質量分析器によれば、質量数４０００を超えるクラスターについても、精度よく分離することができる。
【００２４】
質量分析器１８において、選別された特定のクラスターイオンは、８極子イオンガイド２０によって、反応室２２に導入される。この反応室２２は、導入されたクラスターイオンを所定温度に維持する。そして、この反応室２２に反応対象物質を導入し、ここでクラスターイオンに反応対象物質が吸着され、ここで反応が起こる。
【００２５】
ここで、クラスターと反応対象物質の反応は、冷却室１４において、クラスターに反応対象物質を吸着させた後、反応室２２で温度を上昇し、両者を反応させて行ってもよい。これによって、反応室２２では、すでにクラスターに吸着されている反応対象物質について確実な反応が行える。
【００２６】
また、図においては、反応室２２を１つだけ記載したが、同様の反応室２２を複数設け、それぞれに別の反応対象物質を導入することも好適である。これによって、質量分析器１８によって選別したクラスターイオンについて各種対象物質と反応させることができる。
【００２７】
反応室２２において所定の反応が行われたすべてのイオンは、８極子イオンガイド２０によって、質量分析器２６に導入され、ここで反応生成物についての高分解能分析が行われる。この実施形態では、この質量分析器２６として、電場磁場二重収束型質量分析器が使用されている。この電場磁場二重収束型質量分析器は、非常に高精度であり、種々の生成物を高分解能で分析することができる。すなわち、反応室においては、種々の反応が進行するため生成物の組成が複雑であり、また各成分元素が複数の同位体を含む場合が多い。このため、生成物を同定するためには、１００，０００程度の分解能（質量数１００，０００のものと１００，００１のものが区別できる分解能）が要求される。電場磁場二重収束型質量分析器により、このような分解能が得られる。ここで、この電場磁場二重収束型質量分析器においては、質量分析器全体を接地から１〜１０ｋＶ程度バイアスし、質量分析器を接地に対し−１〜−１０ｋＶ程度にする。これによって入射してくるクラスターイオンが加速され、電場磁場二重収束型質量分析器によって、高分解能の質量分析が行える。
【００２８】
このようにして、質量分析器２６において反応生成物についての質量スペクトルが得られる。この質量スペクトルの中から調べたい反応の生成物を選択し、その強度を測定する。また、反応室における反応対象物質（反応分子）の圧力を変化させ、そのときのイオン強度の変化から、そのイオンを生成する反応に対する反応断面積（断面積の絶対値）を求める。これによって、質量分析器１８において選別したクラスターイオンについて、所定の反応についての反応断面積を調べることができる。
【００２９】
そして、質量分析器１８において選別するクラスターサイズを変更することで、各種のクラスターサイズのクラスターイオンについて個別に反応断面積を調べることができる。
【００３０】
従って、クラスター生成室１０において、ターゲットやクラスター生成条件を設定することで、複数の元素が任意の比率で混合したクラスターイオンを発生することができ、質量分析器１８においてクラスターサイズを選別することで、任意の総原子数のクラスターイオンを選別することができる。そして、このようなクラスターを構成する元素の比率および総原子数を変化させながら、所望の反応対象物質の反応における反応断面積を調べることにより、対象とする反応を起こさせるのに最適な元素比率や総原子数を調べることができる。特に、触媒反応は、各種形状、製法の触媒について試行錯誤的に試験を行い、適当な触媒を探していたが、本実施形態の方法により、総原子数や、元素比が正確に求められるため、触媒活性の高いクラスターサイズから、触媒の形状や元素比などを決定でき、触媒探索を効率的に行うことができる。
【００３１】
次に、具体的な実験例について、説明する。
【００３２】
「単一成分金属クラスターの例」
まず、実施形態の基本構成となる単一成分金属クラスターの例について説明する。ニッケル金属試料板をターゲットしてクラスター生成室１０に設置し、これにレーザを照射する。これによって、ニッケル金属原子あるいはそのイオンが気相中に蒸発する。この蒸発されたニッケル金属原子あるいはそのイオンを数１０ｍＴｏｒｒの希ガス（この場合はヘリウム）中で、凝集され、ニッケルのクラスターイオンが生成される。次に、このクラスターイオンは、冷却室１４において、冷却された後、質量分析器１８においてサイズが選別される。そして、選別されたサイズのクラスターイオンが反応室２２に導入され、ここにおいてメタノールと反応される。反応室２２において生成されたイオンが質量分析器２６において質量分析され、生成物イオンが同定される。そして、反応室２２におけるメタノール圧力を変更して、生成イオンの圧力依存性を調べ、反応断面積を求める。
【００３３】
ここで、このニッケルクラスターと、メタノールの反応過程は、（ｉ）化学吸着：Ｎｉn+＋ＣＨ3ＯＨ→Ｎｉn+（ＣＨ3ＯＨ）、（ｉｉ）脱メタン反応：Ｎｉn+＋ＣＨ3ＯＨ→ＮｉnＯ+＋ＣＨ4、（ｉｉｉ）炭化物生成：Ｎｉn+＋ＣＨ3ＯＨ→Ｎｉn-1Ｃ+＋ＮｉＯ＋２Ｈ2である。ここで、生成したクラスター上の炭素は、長鎖炭化水素生成と関連しており、この反応が起こることにより長鎖炭化水素が生成される。
【００３４】
図２にニッケルクラスターとメタノールの反応における上記各反応のクラスターサイズ依存性を示す。化学吸着の反応断面積は、６量体で最も大きく、次に９量体、５量体の順であり、７量体、８量体は、比較的小さい。また、脱メタン反応の反応断面積は４量体で最も大きく、５、６量体において比較的大きくなっているが、それ以外では小さくなっている。また、炭化物生成の反応断面積は、７量体が一番大きく、８量体がその次であり、その他のクラスターサイズでは反応が起こらない。この７、８量体における炭化物生成の反応断面積は、一般的なニッケルによるメタノールの炭化物生成反応の数１０倍の大きさである。これより、メタノールから長鎖炭化物を生成するためには、ニッケルの７、８量体を選択的に生成して、これを反応させればよいことが分かる。
【００３５】
このように、反応によって、それぞれ適したクラスターサイズがあり、これが反応に大きく関与していることが分かる。
【００３６】
このような情報を用いて、反応にあわせて適切な触媒を設計することができる。すなわち、脱メタン反応を選択的に起こすニッケル触媒を作るには、ニッケル４量体を担体に担持すればよく、また長鎖炭化水素を作るには、ニッケル７または８量体を選択的に担持させればよい。
【００３７】
次に、白金クラスターイオン上での炭化水素の脱水素反応について説明する。（ｉ）メタン、（ｉｉ）エタン、（ｉｉｉ）エチレン、（ｉｖ）アセチレンの脱水素反応、（ｉ）Ｐｔn+＋ＣＨ4→Ｐｔn+（ＣＨ2）＋Ｈ2、（ｉｉ）Ｐｔn+＋Ｃ2Ｈ6→Ｐｔn+（Ｃ2Ｈ4）＋Ｈ2、（ｉｉｉ）Ｐｔn+＋Ｃ2Ｈ4→Ｐｔn+（Ｃ2Ｈ2）＋Ｈ2、（ｉｖ）Ｐｔn+＋Ｃ2Ｈ2→Ｐｔn+（Ｃ2）＋Ｈ2についての反応断面積と、白金クラスターサイズの関係を図３に示す。このように、反応断面積は、メタンの場合には２量体が大きく、エタンの場合には５量体まで順に大きくなり、エチレンの場合には４、５量体が大きく、アセチレンの場合には４量体が最も大きい。
【００３８】
例えば、メタンの脱水素反応は、２量体上で最も効率がよく進行し、この反応速度は、通常知られている反応速度の数１０倍である。従って、メタンの脱水素反応触媒としては、白金２量体を用いることが好適であり、白金２量体を担体に担持するように触媒を設計すればよいことが分かる。
【００３９】
なお、実際に触媒を作製する場合には、レーザ蒸発などによって、クラスターを発生させ、その中から適切なサイズのクラスターを各種の質量フィルタによって、選択して、ＨＯＰＧ（高配向熱分解グラファイト）に衝突させて表面上に担持させることなどが考えられる。質量フィルタとしては、上述のような四重極質量分析器が利用できるが、飛行時間型など各種のものが利用できる。さらに、クラスターの生成条件も利用したいクラスターサイズのものが生成できるように調整することが好適である。
【００４０】
「複数成分クラスターの例」
Ｃｕ3Ｏ+上でのメタノール反応は、
Ｃｕ3Ｏ+＋ＣＨ3ＯＨ→Ｃｕ3+＋ＨＣＯＨ＋Ｈ2Ｏ
Ｃｕ3Ｏ+＋ＣＨ3ＯＨ→Ｃｕ3Ｏ2+＋ＣＨ4
という酸化還元反応であり、メタノールの酸化と還元が同時に起こっている。そして、質量分析によって、図４に示すような質量スペクトルが観察された。このように、生成イオンは、Ｃｕ2Ｏ+，Ｃｕ2Ｏ+（ＣＨ3ＯＨ），Ｃｕ3+，Ｃｕ3Ｏ2+，Ｃｕ3Ｏ+（ＣＨ3ＯＨ）であった。本実施形態の装置によれば、クラスターを構成する銅原子と酸素原子との比や総原子数を変更することができる。そこで、各種の条件での質量スペクトルを調べることによって、その酸化と還元の比率や反応速度に対する影響を調べることができる。そこで、この情報を利用して、クラスターを構成する銅原子と酸素原子との比や総原子数を変更して、メタノールの酸化と還元の比率や反応速度を制御することができる。そして、この情報を利用して触媒の最適化を図ることができる。このような複数成分から構成される触媒の最適化は、因子が多く非常に困難である。しかし、本実施形態の方法によれば、最も基本的な単位の総原子数の変更などの影響を調べることができ、比較的容易に最適の構成を見いだすことができる。
【００４１】
次に、各種の変形例について説明する。
【００４２】
「反応中間体の解析」
上述の例では、反応が終了した後の生成物について分析した。一方、反応の最適化を図るためには、反応が完結する道筋で生じる反応中間体を解析することも非常に重要である。しかし、この反応中間体は、反応熱により安定して存在しないため、その観測が難しい。そこで、クラスターイオンに希ガス原子を付着させておくと、反応熱がその希ガス原子に吸収され、反応中間体が安定して存在する。すなわち、冷却室１４にアルゴンなどの希ガス原子を存在させておき、クラスターに付着させる。これによって、希ガス原子はクラスターに弱く結合付着する。そして、反応室２２において、反応分子との反応が始まるが、この際にアルゴンがクラスターから離れ、その際にクラスターから熱を奪う。これによって、反応が途中で止まり、反応中間体が安定して存在する。
【００４３】
ここで、この反応中間体の同定、反応断面積の測定には、質量分析器より、レーザ分光法が適している。すなわち、レーザ光を反応室２２を通過するように、照射し、その吸収スペクトルから、クラスターに吸着している化学種を同定し、反応中間体が光を吸収することによる吸光度を測定して、中間体生成の反応断面積を求めることができる。このレーザ分光法によれば、反応生成物について質量分析器より高精度の測定が行える。
【００４４】
なお、上述の実施形態の装置においても、質量分析器２６に代えて、レーザ分光分析器を採用することも好適である。また、レーザの照射方向は、反応室のクラスター流入路および流出路を結んだ方向とすることで、反応室についてはほとんど改造の必要がなくなる。
【００４５】
「担体についての解析」
触媒反応は、触媒（触媒活性体）を担持する担体の影響を大きく受ける。そこで、触媒活性体と担体との相互作用を把握することが必要になる。
【００４６】
このためには、担体を構成する原子群を付着させた複合クラスターイオンを生成し、このクラスターイオンについての反応を調べればよい。
【００４７】
すなわち、担体を付着させた複合クラスターイオンについて反応生成物を観測することで、担体の影響を知ることができる。なお、このときに、担体を大きなものにして、ここにクラスターイオンを担持する必要はなく、担体原子２〜３個をクラスターイオンの周囲に存在させればよい。これは、担体と触媒活性体の相互作用は基本的に原子２〜３個の反応によっているからである。これによって、担体の影響を定量的に推測することができる。従って、操作自体は、基本的に複数成分のクラスターと同様である。例えば、カーボン原子をクラスタに含めることで、カーボン原子と触媒活性体との影響を調べることができる。
【００４８】
このようにして、担体の影響を調べることで、適切な担体の選択が行える。
【００４９】
「全反応過程の解析」
以上のように、本実施形態によれば、クラスターイオンと反応対象物質との反応、反応中間体生成の反応、担体の影響など全反応過程を解析することができる。従って、特定の反応に対する反応速度、選択性などを解明することができ、全反応についての最適化を図ることができる。
【００５０】
「多成分クラスター触媒」
上述の説明では、基本的に１種類のクラスターについて、反応対象物と反応させ、反応生成物を測定し、これを順に行った。しかし、複数種類のクラスターについて同時に反応を行わせ、それぞれの反応を同定することもできる。
【００５１】
すなわち、クラスター生成室１０において、一成分あるいは多成分クラスターを気相中に発生させる。単一元素で任意原子数あるいは複数元素で任意組成と任意総原子数を持つクラスターイオンを生成する。そして、このようにして発生したクラスターをサイズによる選別を行うことなく、そのまま反応室２２へ導入する。ここで、この反応対象物質も複数種類とする。反応室を複数とすることも好適である。
【００５２】
また、冷却室１４に、反応対象である所定の分子を導入し、クラスターイオンに吸着させることもできる。例えば、メタノールの分解反応を見るのであれば、メタノールを導入して、クラスターイオンに予め吸着させることができる。
【００５３】
これによって、複数種類のクラスターと複数種類の反応対象物質の任意の反応が起こる。そして、この反応生成物を質量分析器２６で分析する。この場合、複数種類の複雑な反応生成物があるため、これらを分離するために質量分析器２６として高分解能のものが必要となる。そして、得られた質量スペクトルの中で、調べたい反応の反応中間体の付加したもののみを選別する。そしてそのクラスターの元素種類・比率（組成）総原子数から高反応活性を持つ触媒の設計指針が得られる。
【００５４】
このように、元素の種類、比率（組成）、総原子数の組合せからなる多種類のクラスターを発生させ、これを所定の反応物質と反応させ、その中で反応活性の高いものを選択することで、反応活性の高い触媒を効率的に探索することができる。
【００５５】
「中性クラスター」
上述の例では、クラスターイオンを対象とした。しかし、中性のクラスターについても利用することができる。
【００５６】
中性クラスターについて、反応生成物を光イオン化あるいは電子衝撃イオン化し、電場磁場二重収束型質量分析器に導入して、高分解能分析を行えばよい。多数成分クラスターの場合であれば、質量スペクトル上に現れたイオン種の中から調べたい反応の中間体の付加したものを選択し、そのクラスターの元素の種類、比率（組成）、総原子数が高反応活性をもつ触媒の設計指針となる。
【００５７】
また、調べたい反応の反応中間体の電子状態に共鳴するように、反応生成物を光イオン化することもできる。これにより、反応中間体が付加した反応生成物のみがイオン化される。そして、このイオンを電場磁場二重収束型質量分析器に導入し、高分解能分析を行う。この場合、質量スペクトル上に現れたすべてのイオン種が高反応活性種である。そして、そのクラスターの元素の種類、比率（組成）、総原子数を高反応活性を持つ触媒設計の指針とする。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数種類のクラスター別の反応対象物質との反応を個別に解析する。従って、クラスターを構成する物質の総原子数や、複数元素の比率などについての反応に対する影響を解析することができる。そこで、物質の総原子数の反応への影響などを調べることができる。従って、触媒反応などにおいて、いろいろな製法で作ってみてどれが活性が高いかなどというマクロ的な探索ではなく、最終的な目標となる触媒の構成を先に求めることができ、目標となる構成を実現するための製法を模索すればよい。従って、解析結果に基づいて、触媒の探索等を非常に効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態の装置の構成を示す図である。
【図２】  ニッケルクラスターとメタノールの反応における反応のサイズ依存性を示す図である。
【図３】  白金クラスターと炭化水素の脱水素反応における反応のサイズ依存性を示す図である。
【図４】  酸化銅クラスター上でのメタノールの反応を説明する図である。
【符号の説明】
１０  クラスター生成室、１２，２０  ８極子イオンガイド、１４  冷却室、１８  質量分析器、２２  反応室、２６  質量分析器。
【図１】
0004070992.tif 000002
【図２】
0004070992.tif 000003
【図３】
0004070992.tif 000004
【図４】
0004070992.tif 000005