2009 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ空間における溶液物性と電気化学過程の理論的解明
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21244045
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
塚田 捷 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (90011650)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
赤木 和人 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 准教授 (50313119)
真砂 啓 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 助手 (70510551)
田村 宏之 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 助教 (60390655)
濱田 幾太郎 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 助教 (80419465)
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| Keywords | ナノ空間 / 固液界面 / 電気化学過程 / 溶液物性 |
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| Research Abstract |
手法の開発と整備 (1)貴金属やグラファイトといった疎水性の表面と水との界面を第一原理計算で取り扱うために、ファンデルワールス相互作用を記述できる「van der Waals密度汎関数」を実装し、水/Rh(111)系について実験との比較を通して有効性が確かめられた。(2)静電相互作用を周期境界に影響されずに記述できる有効媒質(ESM)法が双極子相互作用だけでなく多重極子相互作用まで正しく補正することを確認し、系にバイアスをかけるための足場が固まった。(3)液体論と古典分子モデルを組み合わせて溶液の大域構造や自由エネルギーを議論できる3次元参照相互作用点モデル(3D-RISM)法のプログラムを整備した。(4)電極近傍での電子の飛び移りを調べるための透熱な取り扱い手法を開発し、電子移動や励起子移動に適用した。
固液界面の理解 いくつかの平板表面(Si,MgO,Al03,マイカ)とバルク水との界面を第一原理分子動力学計算で調べ、系ごとの「水の構造化」の違いが予想よりも大きく、水分子との相互作用の強い酸化物表面ではバルク水との間に水素結合ネットワークの弱い部分が生じる様子を明らかにした。また、表面科学的には解離吸着が顕著ではないMgOのような表面でもバルク水との接触によって表面の酸素サイトを利用したプロトン交換が定常的に起こるなど、古典分子モデルでの計算時に留意すべき情報を多く得た。
課題 電解質イオンを含む溶液の構造やダイナミクスは不均一で緩和時間が長く、事前の予想よりも複雑であった。学問的にもバルクの電解質溶液自体に未解明の部分が多いことが分かったため、固液界面での電解質イオンの取り扱いの開始は次年度以降に持ち越すこととした。
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