Interaction between ultra-trace amount of cesium and oxides studied by total-reflection X-ray photoelectron spectroscopy

極微量のセシウム金属と酸化物の相互作用:全反射X線光電子分光法による研究

馬場 祐治  ; 下山 巖   ; 平尾 法恵; 和泉 寿範

Baba, Yuji; Shimoyama, Iwao; Hirao, Norie; Izumi, Toshinori

微量のアルカリ金属元素と酸化物表面の相互作用に関する研究は、不均一触媒, 化学反応促進剤, 高強度電子源の開発などにとって重要なテーマとなっている。また、セシウムと酸化物表面の相互作用を解明することは、粘土鉱物, 土壌などに吸着した放射性セシウムの除去法の開発にとっても重要となっている。そこで本研究では、放射性セシウムの原子数に相当する極微量の非放射性セシウムと二酸化ケイ素, 酸化アルミニウムなど酸化物表面の化学結合状態を、放射光を用いた全反射X線光電子分光法により調べた。その結果、吸着層の厚みが0.01層以上では、吸着量によらずセシウムと酸化物は、ファン・デア・ワールス結合に基づく弱い相互作用で結合していることが分かった。一方、放射性セシウムの原子数に相当する0.002層程度の極微量セシウムになると、セシウムと基板の分極が小さくなり共有結合性が増すことから、この結合状態の変化が放射性セシウムが脱離しにくい原因のひとつであると考えられる。

The interaction between alkali metals and oxides has attracted much attention as heterogeneous catalysis, chemical reaction promoters, and high intensity electron emitter. Also the interaction of cesium and oxides has become important subject, because radioactive cesium trapped in minerals such as clay and soil may cause health risks. In the present study, we analyzed chemical states of ultra-trace amount of cesium on oxide surfaces by total reflection X-ray photoelectron spectroscopy (TR-XPS) exited by synchrotron radiation. For the adsorbed cesium thicker than 0.01 layer, cesium is weakly bound with oxide through Van-der-Waals force. On the other hand, for ultra-thin layer about 0.002 layer, the chemical bond changes to covalent bond. It is suggested that this change in the chemical bonding state is one of the reasons why radioactive cesium is hard to be released from minerals.