分子シミュレーションを用いた固体・液体界面における分子構造とダイナミクスの解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K15497
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 城塚 達也 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 助教 (70823003)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 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 / 光触媒 / 酸化チタン / シリカ

研究実績の概要

本研究では、固体酸化物・水界面における分子構造とダイナミクス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明らかにすることを目的としている。ターゲットは①アモルファスシリカ（ガラス）・水界面と②酸化チタン・水界面とする。2019年度にガラス・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が、通常の古典MDシミュレーションの限界が判明したため、申請者は現在第一原理計算による手法を開発し応用に着手している。特に、プロトンやポーラロンなどの電荷移動反応の計算手法を確立することに成功し、応用計算に取り組んでいる。
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界面構造には未だ不明の部分が多い。特に、溶液のpHに応じてヒドロキシ基の脱プロトン化が重要であるため、不均一系にも適用可能なConstrained DFT法のプロトン移動への応用を開拓した。続いて、第一原理計算による新しい計算手法を開発し応用に着手している。
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。ホールや電子などのポーラロン移動にConstrained DFT法を適用することにより、不均一系における電荷移動の計算手法を確立することができたため、現在は更なる応用研究を展開している。

研究成果

• [雑誌論文] Efficient Free-Energy Calculation of Proton Transfer by Constrained Density Functional Theory and Geometrically Restrained Molecular Dynamics Simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Joutsuka Tatsuya、Ando Koji
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1246/cl.210132
  • 査読あり
• [雑誌論文] Facet Dependence of Photocatalytic Activity in Anatase TiO2: Combined Experimental and DFT Study (2021)
  • 著者名/発表者名: Joutsuka Tatsuya、Yoshinari Hiroto、Yamauchi Satoshi
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 94 ページ: 106～111
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200236
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low-pressure chemical vapor deposition of Cu on Ru using CuI as precursor (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishikawa Taiji、Horiuchi Kensuke、Joutsuka Tatsuya、Yamauchi Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 549 ページ: 125849～125849
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2020.125849
  • 査読あり
• [雑誌論文] Constrained Density Functional Theory Molecular Dynamics Simulation of Deprotonation in Aqueous Silicic Acid (2020)
  • 著者名/発表者名: Joutsuka Tatsuya、Ando Koji
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 ページ: 8323～8330
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c05096
  • 査読あり
• [学会発表] 拘束密度汎関数理論によるケイ酸水溶液中の脱プロトン化の分子動力学シミュレーション (2021)
  • 著者名/発表者名: 城塚達也
  • 学会等名: 日本化学会 第101春季年会
• [学会発表] アナターゼ型酸化チタンにおける光触媒活性の結晶面依存性：電子状態計算による解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉成啓人、山内智、城塚達也
  • 学会等名: 第31回 日本化学会関東支部 茨城地区研究交流会
• [学会発表] 拘束密度汎関数理論によるプロトン移動の分子動力学シミュレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 城塚達也
  • 学会等名: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の新展開2020」
• [備考] 所属研究機関が作成した研究内容又は研究成果に関するwebページ
  • URL: https://info.ibaraki.ac.jp/Profiles/104/0010400/profile.html
• [備考] 研究者が作成した研究内容又は研究成果に関するwebページ
  • URL: https://sites.google.com/view/theorchem/home