Experiment-Theory Collaboration for Unveliling Quantum Supremacy in Electrochemical Reaction

Research Project

Project/Area Number	23K26621
Project/Area Number (Other)	23H01928 (2023)
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Multi-year Fund (2024) Single-year Grants (2023)
Section	一般
Review Section	Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
Research Institution	National Institute for Materials Science
Principal Investigator	坂牛健国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究センター, チームリーダー (50756484)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000) Fiscal Year 2025: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000) Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000) Fiscal Year 2023: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Keywords	電極反応 / 量子超越性 / プロトン共役電子移動 / トンネル効果 / 固液界面 / 電極過程 / 量子効果 / 非断熱性
Outline of Research at the Start	本研究では、量子効果による高い特性を、量子計算機に倣い量子超越性（Quantum Supremacy: QS）と定義し、これに着目する。様々な電極材料と組成の電解液を組み合わせてモデル固液界面を準備し、それらの系における電極反応に対し速度論的同位体効果の高精度測定など精密電気化学実験と計算科学の協働によるQSの観測・解析を行う。QSの基礎原理を探求し、その本質的な理解に立脚した学理を構築する。
Outline of Annual Research Achievements	最も計算科学との相性が良く再現性およびデータ信頼性が高い貴金属単結晶の低指数面を最初に扱う電極系とし、研究を遂行した。これらの電極と様々な組成の電解液を組み合わせたモデル固液界面を準備した。そして、まずはこれらの系において水素発生反応（HER）を対象に研究を進めた。その中で、QSから古典状態に相転移（量子-古典転移）させる主要因子が固液界面における水の配向状態が鍵を握っている可能性を示唆する結果を得た。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 固液界面における電極過程において量子効果が支配的になる機構を理解するのに必要なきっかけを得られたから。
Strategy for Future Research Activity	第一原理計算により、電位によって変化する水の配向がどのように量子電極過程に影響を与えるのかを調査する。