2019 Fiscal Year Research-status Report
Elucidating Molecular Structure and Dynamic at Solid/Liquid Interfaces by Molecular Simulation
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19K15497
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
城塚 達也 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 助教 (70823003)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 分子動力学シミュレーション / 固体酸化物 / 界面 / 第一原理計算 / 和周波発生分光法 / 光触媒 / 酸化チタン / シリカ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
この研究の最終的な目標は、水素結合の構造と固体酸化物・水界面の動力学を分子動力学シミュレーションによって理解することにより、光触媒などの分子メカニズムを分子科学の面から明らかにすることである。本研究課題では①アモルファスシリカ（ガラス）・水界面と②酸化チタン・水界面をターゲットとする。
2018年度に申請者は石英や海塩粒子などの荷電した界面におけるSFG分光の解析を行い、2019年度にはガラス・水界面でのシミュレーションモデルの更なる精度向上と技術開発を進めてきた。通常の古典MDシミュレーションでは界面での化学結合の生成・開裂を扱えないため、申請者は現在第一原理計算で初期構造を生成し、力場パラメーターを決定した。
①ガラス・水界面：この界面は極めて不均一な埋もれた界面として知られるが、シラノール基などの構造には未だ不明の部分が多い。そこで、本研究によって水界面の分子構造の不均一性を明らかにした。まず、水溶液界面ではヒドロキシ基の密度が重要であるため、表面に水分子が解離吸着しヒドロキシ基が生成するかを調べ実験結果と良い一致を示すことがわかった。次に、DFT計算を用いて水との界面を生成し、SFGスペクトルを計算し、実験と定性的に一致することがわかった。
②酸化チタン・水界面：界面近傍には、様々な表面活性種の存在が示唆されているため光励起前後のアナターゼ酸化チタン・水界面における界面の構造を明らかにした。まず、アナターゼ型酸化チタン表面におけるホールの安定性を調べ、表面のヒドロキシ基にホールが局在することがわかった。
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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
①ガラス・水界面：2019年度はSFGスペクトルの計算と脱プロトン化反応のシミュレーションを進めた。SFGスペクトルの計算では実験との一致が定量的には不十分であったため2020年度以降も初期構造生成の過程やパラメーターの再検討を行う必要がある。一方で、脱プロトン化反応のシミュレーションではConstrained DFT法による一般的なpKaの計算法を確立することができ、現在これに関する論文を準備中である。これによってガラス・水界面におけるpKaの計算に取り組むことができるようになった。
②酸化チタン・水界面：2019年度は第一原理計算による光触媒酸化反応と表面構造の解析を行った。これは実験家（茨城大学山内智教授）との共同研究であり、観測された(112)表面での高い触媒活性をConstrained DFT法により解析した。この結果、表面構造とホールの安定性を解明することができ、現在これに関する論文を準備中である。今後水溶液界面での議論が実験とのより直接的な比較には必要となってくるので、これらの結果は界面構造・ダイナミクスを議論するうえで極めて重要な知見となる。加えて、このような金属酸化物表面だけでなく金属表面における化学反応の解析にも取り組み、実験家との共著論文を出版した。これにより、電極などの金属界面への展開の基盤を構築することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
①ガラス・水界面：SFGスペクトルの定量的な再現を目指し計算手法の再検討を行う。特に界面における脱プロトン化反応のシミュレーションを検討する。
②酸化チタン・水界面：2020年度はアナターゼ酸化チタン表面の研究をさらに発展させアナターゼ酸化チタン・水界面におけるSFGスペクトルおよび界面での水分子とホール移動のダイナミクスを解析する。ホール移動のダイナミクスでは申請者がこれまで用いてきた反応経路解析を行う。加えて、第一原理（DFT）計算による金属（電極）界面への展開も検討する。
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