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2015 年度 実施状況報告書

半導体溶液界面反応向けの空間電荷層・電気二重層・電位をくりこんだ第一原理手法構築

研究課題

研究課題/領域番号 15K05138
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

館山 佳尚  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, グループリーダー (70354149)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード物性基礎論 / 表面・界面物性 / 計算物理 / 触媒・化学プロセス
研究実績の概要

導電性"半導体電極"を用いた電気化学反応は、電極触媒やリチウムイオン電池充放電など様々な過程で用いられる重要反応です。この反応を理解するには電圧印加時の界面電子・ホール分布による空間電荷層、界面イオン分布による電気二重層の挙動の理解が必要不可欠です。近年、電圧印加時の”金属電極”界面に対する第一原理計算手法は提案されてきましたが、”半導体電極”界面特有の物性を考慮した手法はほぼ皆無といってよいでしょう。そこで本研究課題では、連続体モデル等の組み合わせによる電圧印加時の空間電荷層と電気二重層を精度よく記述可能な第一原理計算手法を構築し、導電性"半導体電極"―溶液界面におけるキャリア・イオン移動反応を題材にその実証を行うことを目的としています。

計算手法開発に関しては、平成27年度は、定式化、プログラミングを行い、テスト計算の実行まで取り組みました。連続体モデルとの融合部分はまだ検証が必要ですが、電極―電解液界面における界面電荷とヘルムホルツ層の記述は定性的にうまく表現できそうであることがわかりました。今後、さらなる定量化に向けた研究を進める予定です。一方、実証計算に関しては、まず電極触媒やリチウムイオン電池の電極―電解液界面の平衡状態に関する知見の蓄積も必要となりますので、そのような固液界面における平衡状態ダイナミクスや酸化還元反応の第一原理計算解析も鋭意進め、幾つかの界面研究テーマは論文発表まで到達しました。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計算手法開発に関しては、バイアス印加手法の開発、その変化に伴う界面電解液側のヘルムホルツ層の変化、そしてフラットバンドポテンシャル状態の同定は定性的には再現されているように考えられます。ただし電解液分子の揺らぎがある中で、界面電荷や界面キャパシタンスの定量評価を行うには工夫が必要であることが明らかになったため、今後その問題点の解決に取り組むことになります。

実証計算側については、電極触媒系、リチウムイオン電池系の電極―電解液界面の平衡状態に関するダイナミクスや酸化還元反応の第一原理計算解析を鋭意進めた結果、界面物性に関する多様な知見を得ることができました。特に有機溶媒中での酸化還元電位計算の実行は地味ではありますが世界初のものであり、今後のH+やLi+カチオンと電子の結合した電荷移動の議論などに有用な解析だと考えられます。

今後の研究の推進方策

計算手法開発に関しては、電解液分子の揺らぎがある中で、界面電荷や界面イオン分布、界面キャパシタンスの定量評価をする手法を電荷の定義や統計平均の取り方などを考慮しながら開発し、連続体モデルとの融合へと進めていく予定です。

実証計算側は半導体電極を用いた電極触媒およびリチウムイオン電池系の電極―電解液界面の平衡状態に関する知見の蓄積を今後も進め、それに対して開発した計算手法の適用によるバイアス印加効果の解析へと進んで行く予定です。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 5件、 招待講演 7件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] A Study on Electrolytic Corrosion of Boron-Doped Diamond Electrodes when Decomposing Organic Compounds2016

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Kashiwada, Takeshi Watanabe, Yusuke Ootani, Yoshitaka Tateyama, Yasuaki Einaga
    • 雑誌名

      ACS Appl. Mater. Interfaces

      巻: 8 ページ: 未確定

    • DOI

      10.1021/acsami.5b11638

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Life of superoxide in aprotic Li–O2 battery electrolytes: simulated solvent and counter-ion effects2016

    • 著者名/発表者名
      Johan Scheers, D. Lidberg, Keitaro Sodeyama, Zdenek Futera, Yoshitaka Tateyama
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 18 ページ: 9961-9968

    • DOI

      10.1039/C5CP08056H

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Decomposition of the fluoroethylene carbonate additive and the glue effect of lithium fluoride products for the solid electrolyte interphase: an ab initio study2016

    • 著者名/発表者名
      Yukihiro Okuno, Keisuke Ushirogata, Keitaro Sodeyama, Yoshitaka Tateyama
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 18 ページ: 8643-8653

    • DOI

      10.1039/C5CP07583A

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] First-principles study on the cosensitization effects of Ru and squaraine dyes on a TiO2 surface2016

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Ootani, Keitaro Sodeyama, Liyuan Han, Yoshitaka Tateyama
    • 雑誌名

      Surf. Sci.

      巻: 649 ページ: 66-71

    • DOI

      10.1016/j.susc.2016.01.025

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A method to calculate redox potentials relative to the normal hydrogen electrode in nonaqueous solution by using density functional theory-based molecular dynamics2015

    • 著者名/発表者名
      Ryota Jono, Yoshitaka Tateyama, Koichi Yamashita
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 17 ページ: 27103-27108

    • DOI

      10.1149/2.0301514jes

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Near-Shore Aggregation Mechanism of Electrolyte Decomposition Products to Explain Solid Electrolyte Interphase Formation2015

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Ushirogata, Keitaro Sodeyama, Zdenek Futera, Yoshitaka Tateyama, Yukihiro Okuno
    • 雑誌名

      J. Electrochem. Soc.

      巻: 162 ページ: A2670-A2678

    • DOI

      10.1149/2.0301514jes

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Corrosion Prevention Mechanism of Aluminum Metal in Superconcentrated Electrolytes2015

    • 著者名/発表者名
      Yuki Yamada, Ching Hua Chiang, Keitaro Sodeyama, Jianhui Wang, Yoshitaka Tateyama, Atsuo Yamada
    • 雑誌名

      ChemElectroChem.

      巻: 2 ページ: 1687-1694

    • DOI

      10.1002/celc.201500235

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigating crystalline-polarity-dependent electronic structures of GaN by hard x-ray photoemission and ab-initio calculations2015

    • 著者名/発表者名
      Takeo Ohsawa, Shigenori Ueda, Motohiro Suzuki, Yoshitaka Tateyama, Jesse R. Williams, Naoki Ohashi
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 107 ページ: 171604

    • DOI

      10.1063/1.4934842

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Semiconductor-water interfaces investigated by first principles calculations of boron doped diamond2015

    • 著者名/発表者名
      館山佳尚
    • 学会等名
      Pacifichem 2015
    • 発表場所
      ハワイコンベンションセンター
    • 年月日
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Elucidation of complicated reactions around electrolyte – electrode interfaces in Li-ion battery2015

    • 著者名/発表者名
      館山佳尚
    • 学会等名
      Pacifichem 2015
    • 発表場所
      ハワイコンベンションセンター
    • 年月日
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 固液界面反応に関する第一原理計算アプローチ:現状と展望2015

    • 著者名/発表者名
      館山佳尚
    • 学会等名
      第6回真空・表面科学若手研究会
    • 発表場所
      物質・材料研究機構
    • 年月日
      2015-12-04
    • 招待講演
  • [学会発表] DFT samplings reveal atomistic mechanisms in electrolyte and at electrode interface in Li-ion battery2015

    • 著者名/発表者名
      館山佳尚
    • 学会等名
      MANA-RSC symposium: Materials for Energy Generation and Storage
    • 発表場所
      物質・材料研究機構
    • 年月日
      2015-10-15 – 2015-10-16
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] DFT-MD Study on Formation Processes of Solid Electrolyte Interphase at Negative Electrode Interfaces in Lithium-Ion Battery2015

    • 著者名/発表者名
      館山佳尚
    • 学会等名
      The 66th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • 発表場所
      Taipei Convention Center
    • 年月日
      2015-10-04 – 2015-10-09
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Lithium space-charge layer at interfaces between oxide cathode and sulfide electrolyte for interfacial resistance in all solid state lithium ion battery: A DFT simulation study2015

    • 著者名/発表者名
      館山佳尚
    • 学会等名
      The 11th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM11)
    • 発表場所
      International Convention Center, Jeju
    • 年月日
      2015-08-30 – 2015-09-04
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 固液界面・酸化還元・電気化学反応の第一原理計算2015

    • 著者名/発表者名
      館山佳尚
    • 学会等名
      第55回分子科学若手の会夏の学校
    • 発表場所
      東京大学本郷キャンパス
    • 年月日
      2015-08-17 – 2015-08-21
    • 招待講演
  • [備考] NIMS GREEN Interface Computational Science Group

    • URL

      http://www.nims.go.jp/group/nscs/

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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