固液界面の電子状態計算の方法論とアトムプロセスに関する研究

本研究では、固液界面を扱うための方法論開発と原子スケールでの現象理解の2つを大きな目標としていた。今年度は後者に挙げた原子スケールでの現象理解を、昨年度開発したプログラムを用いて行った。特に、固液界面に生じる電気二重層が持つ高いキャパシタンスに関して、原子スケールからの現象理解を目指した。電気二重層とは、溶液内のイオンと金属表面に生じる誘起電荷が界面近傍でキャパシタのように電荷整列する、界面特有の現象である。この現象により生じる巨大なキャパシタンスを利用した電気二重層キャパシタは、クリーンエネルギーのストレージとしてや出力密度の高い新たな二次電池として期待されている。しかし、電気二重層がもつ静電容量は経験的パラメータを元にしか説明できず、そこで我々は第一原理分子動力学を用いて、電気二重層がもつ静電容量を非経験的に求めることを目的とした。本シミュレーションでは電極としてグラフェンと白金を、電解質としてナトリウムイオンと塩化物イオンを用いた。シミュレーション結果から電極-電解質水溶液界面に生じる静電ポテンシャル変化を解析したところ、ポテンシャルは電極表面とイオンの間で大きく変化する、というこれまでの理論とは異なり、電極と電極最近接水分子の間の空間でのみ大きく変化していることが明らかになった。この結果から、電極表面の形状や疎水・親水性などといった特徴から電気二重層がもつ静電容量の大きさを制御できる可能性を示唆することができた。

本研究では、固液界面を扱うための方法論開発と原子スケールでの現象理解の2つを大きな目標としていた。今年度は後者に挙げた原子スケールでの現象理解を、昨年度開発したプログラムを用いて行った。特に、固液界面に生じる電気二重層が持つ高いキャパシタンスに関して、原子スケールからの現象理解を目指した。電気二重層とは、溶液内のイオンと金属表面に生じる誘起電荷が界面近傍でキャパシタのように電荷整列する、界面特有の現象である。この現象により生じる巨大なキャパシタンスを利用した電気二重層キャパシタは、クリーンエネルギーのストレージとしてや出力密度の高い新たな二次電池として期待されている。しかし、電気二重層がもつ静電容量は経験的パラメータを元にしか説明できず、そこで我々は第一原理分子動力学を用いて、電気二重層がもつ静電容量を非経験的に求めることを目的とした。本シミュレーションでは電極としてグラフェンと白金を、電解質としてナトリウムイオンと塩化物イオンを用いた。シミュレーション結果から電極-電解質水溶液界面に生じる静電ポテンシャル変化を解析したところ、ポテンシャルは電極表面とイオンの間で大きく変化する、というこれまでの理論とは異なり、電極と電極最近接水分子の間の空間でのみ大きく変化していることが明らかになった。この結果から、電極表面の形状や疎水・親水性などといった特徴から電気二重層がもつ静電容量の大きさを制御できる可能性を示唆することができた。