電子ダイナミクスを考慮した表面触媒反応機構の解明

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24550011
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 牛山 浩 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40302814)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 理論化学 / 触媒 / 表面化学 / 電子ダイナミクス / 電極反応

研究実績の概要

量子化学計算による電極反応へのアプローチとして、本年度は光半導体電極のアノードとして窒化タンタルを取り上げ、酸素生成反応に重要な電極触媒/水界面のホールの輸送について議論した。はじめに、n型の窒化タンタルの計算モデルとして、実験で合成されている量論比に近いモデルであるTa3N4.75O0.25を取り上げ、OやOHの表面への吸着を考慮することで、電極電位ごとに熱力学的に安定して存在する表面構造を提案した。それらの表面構造を用いて水との界面を構築し、Double reference methodを用いることで、電極電位を与えたときの窒化タンタルのバルク内の価電子帯位置や、窒化タンタル表面の価電子帯位置、窒化タンタル内部に生成するショットキー障壁の高さを計算することに成功した。これらの計算から、窒化タンタル/水界面では、低電位側でFermi level pinningとBand edge pinningの中間の挙動を示すこと、高電位側にシフトするにつれてn型半導体としての挙動を失っていることを明らかにした。最後に、窒化タンタル/水界面の電荷分離の高効率化に向けた考察も行った。

研究成果

• [雑誌論文] Quantum chemical approach for highly durable anion exchange groups in solid-state alkaline fuel cells (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Matsuyama, H. Ohashi, S. Miyanishi, H. Ushiyama and T. Yamaguchi
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 6 ページ: 36269 - 36272
  • DOI: 10.1039/C5RA27939A
  • 査読あり
• [雑誌論文] Black phosphorus as a high-capacity and high-capability negative electrode for sodium-ion batteries: Investigation of the Electrode/Electrolyte Interface (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Dahbi, N. Yabuuchi, M. Fukunishi, K. Kubota, K. Chihara, K. Tokiwa, X-f.Yu, H. Ushiyama, K. Yamashita, J-y. Son, Y-t. Cui, H. Oji, S. Komaba
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 28 ページ: 1625-1635
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b03524
  • 査読あり
• [雑誌論文] heoretical studies on membranes and non-platinum catalysts for polymer electrolyte fuel cells (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ushiyama
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1702 ページ: 090045
  • DOI: 10.1063/1.4938853
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ab Initio Study of Internal Conversion through S1/S2 and S2/S3 Conical Intersections of 6-Acetyl-2-(N,N-dimethylamino)naphthalene (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Kunisada, Hiroshi Ushiyama, and Koichi Yamashita
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 44 ページ: 1753-1755
  • DOI: 10.1246/cl.150843
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electron Wavepacket Approaches to Non-adiabatic Transition Processes in the Internal Rotational Motion of H2CNH2 + -Charge Oscillation due to Electronic Coherence- (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Kunisada, Hiroshi Ushiyama, Koichi Yamashita
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 635 ページ: 345-349
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.06.081
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Theoretical studies on the mechanism for the oxygen reduction reaction on clean and O-substituted Ta3N5(100) surfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: Eriko Watanabe, Hiroshi Ushiyama, and Koichi Yamashita
  • 雑誌名: Catalysis Science & Technology 巻: 5 ページ: 2769 - 2776
  • DOI: 10.1039/C5CY00088B
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Multiscale simulation for lithium-ion battery focused on SEI film growth and capacity fade (2015)
  • 著者名/発表者名: C. Shinagawa, H. Ushiyama, K. Yamashita
  • 学会等名: PACIFICHEM 2015
  • 発表場所: 米国・ハワイ
  • 年月日: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • 国際学会
• [学会発表] Theoretical studies on interaction between metal cluster and ceria: Therole of ceria in CO adsorption (2015)
  • 著者名/発表者名: Rinpei Kindaichi,Hirishi Ushiyama,Koishi Yamashita
  • 学会等名: PACIFICHEM 2015
  • 発表場所: 米国・ハワイ
  • 年月日: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • 国際学会
• [学会発表] Theoretical studies on the mechanism of alkali carbonate loaded on aluminosilicate catalysts for soot combustion (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomoshi Imamura, Hiroshi Ushiyama, Koichi Yamashita
  • 学会等名: PACIFICHEM 2015
  • 発表場所: 米国・ハワイ
  • 年月日: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • 国際学会
• [学会発表] ナトリウムイオン電池正極材料Na2FePO4Fの充放電過程に関する理論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 品川幾, 牛山浩, 山下晃一
  • 学会等名: 第56回電池討論会
  • 発表場所: 愛知県名古屋市 愛知県産業労働センター
  • 年月日: 2015-11-11 – 2015-11-13
• [学会発表] アルカリ金属炭酸塩を担持させたすす燃焼触媒の反応機構についての理論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 今村 友信,牛山 浩,山下 晃一
  • 学会等名: 第9回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京都目黒区 東京工業大学
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] 第一原理計算に基づく窒化物光触媒材料(d0型・d10型)のキャリア寿命に関する研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡部絵里子、河合宏樹、牛山浩、山下晃一
  • 学会等名: 第116回触媒討論会
  • 発表場所: 三重県津市 三重大学
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-18
• [学会発表] 金属-CeO2間相互作用がCO吸着に及ぼす影響に関する理論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 金田一麟平,牛山浩,山下晃一
  • 学会等名: 第116回触媒討論会
  • 発表場所: 三重県津市 三重大学
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-18