2018 Fiscal Year Research-status Report
光電気化学反応における触媒/溶液界面構造の解明と制御
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18K13784
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
佐藤 正寛 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教 (40805769)
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2018-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 水分解 / 第一原理計算 / 光電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
持続可能なエネルギー社会を実現する鍵の一つとして水素エネルギーが注目されている。光触媒・光電極(以下単に光触媒)によって太陽光を用いて水を分解し、水素(および酸素)を製造する方法を実用化するためには、より高効率・高耐久な水素製造用光触媒の開発が不可欠である。そこで、本研究では、水分解に関するin situ(光電気化学反応が起きる環境における)光触媒/電解液界面の幾何構造(半導体表面における電解液の分子原子の吸着・配向状態)および、電子構造(半導体側と電解液側の電子準位の接続状態・界面準位の状態密度)の測定法を開発し、測定結果と第一原理計算による解析との比較を通じて、ミクロレベルでの光触媒性能の評価方法を確立することを目的としている。
本年度の研究実績は以下の通りで、OCP (Open circuit potential)法を用いた半導体/電解液界面のバンドアラインメントの計測やAmbient pressure (AP)-XPS計測による界面の電子・幾何構造の測定を行った。これらに加え、第一原理計算を用いた半導体/電解液界面のモデル化方法の開発を行った。これらは上述した目的にかなうものであるし、研究実施計画に沿って順調に進んでいるといえる。なお、光照射時の半導体/電解液界面の幾何・電子構造を第一原理計算によってモデル化する基礎的な検討結果は論文を投稿するに至っている[1]。
[1] M. Sato et al., “First-principles modeling of GaN(0001)/water interface: Effect of surface charging,” J. Chem. Phys., (accepted)
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実施計画では本年度においては比較的結晶品質の良いGaN電極を測定対象とし、GaNの清浄表面および、水の吸着種を含む系のキャラクタライゼーションをおこなうとともに、半導体溶液界面についてOCP(open circuit potential)、FTIR測定を、半導体水吸着系についてAP-XPS測定を行い、第一原理計算によって半導体/電解液界面モデル化方法を構築することを予定していた。これらの実験および計算項目すべてに着手できている。まずLEED, XRD, XPS, ホール測定などで清浄GaN表面の基礎的な特性を把握した。OCP測定装置に関しては光強度を変えるレンジを大きくするなどの改良に成功しており、さらに、これは来年度に検討する予定となっていたことであるが、表面状態依存性によってOCP挙動が大きく変化することが確認できた。AP-XPS測定でも光照射を行える状態となり、半導体表面への水吸着時の測定に関する条件だしがおおよそおわった。計算に関しては光照射時の半導体/電解液界面のモデル化方法を提案することができた。これらから、本研究は順調に進んでいるといえよう。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度はOCP(open circuit potential)法, FTIR, AP-XPSにおいて得られる実験結果と第一原理計算の結果から半導体材料の表面の幾何構造と電子構造の関係を明らかにする。さらに第一原理計算によって界面の電子・幾何構造と、電荷移動素反応や各種化学反応の活性化障壁の関係を明らかにすることで、表面修飾と水分解反応のおきやすさ、あるいは電極の寿命の長さの関係を分子原子レベルから明らかにする。
表面改質(HClエッチング、サイクリックボルタメトリーを経たもの、Arやプラズマを照射したものなど)した光電極に関して同様の解析を行う。
余力があれば得られた結果をもとに高効率あるいは高耐久な光半導体表面修飾方法を提案することを目標とする。
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| Causes of Carryover |
初年度は実験に関しては実験手法の妥当性の確認、条件出しのため、既存設備備品を用いたプロトタイプを用いて実験を行った。ただ、次年度は本実験装置を構築する必要があるため助成金を金額を使用するタイミングがずれこんでいる。
第一原理計算に関しても同様で、既存設備を用いた小規模系のモデル計算によって計算モデル化方法を開発してきたが、現在はこれが達成されたため、次年度により実際的な系をモデル化するため中規模計算機を購入する予定である。
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