| 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。
|
