エネルギー物質科学と界面イオニクス・エレクトロニクス

エネルギー物質科学と界面イオニクス・エレクトロニクス

国立研究開発法人 物質・材料研究機構 グループリーダー 館山佳尚 

 
 

2つの相が接触する界面 (固液界面, 固固界面, 固気界面=表面など)では, イオン・電子移動により各相固有のイオン・電子状態とは異なる状態が現れ, それがエネルギー貯蔵・変換に重要な役割を果たしています。例えば電極界面を横切るイオンの輸送と蓄積が基本となる蓄電池,  pn接合面による電子・ホール分離を基本とする太陽電池などがあります。可視光吸収に目が行きがちですが, 光触媒においても界面の電子移動が鍵となります。
この界面について, 物理分野では固固界面を主な対象とする半導体物理が, 化学分野では固液界面に焦点を当てた電気化学がそれぞれ独自の発展を遂げてきました。しかし, 界面におけるイオン・電子状態とエネルギー貯蔵・変換を考える場合, その両者を融合した新しいフレームワークが必要になります。それはもう一段上位の理論である, 量子力学・統計力学を土台としたものであるべきと筆者は考えています。
この目標に向けて, 筆者は密度汎関数理論(DFT)を基にした電子・イオン・分子・凝縮体の第一原理“サンプリング”計算を駆使し, 界面におけるイオン・電子の平衡状態・定常状態の解明を進めてきました。講演ではこの戦略で行なってきた計算手法開発, 触媒・蓄電池現象の理解の取り組みについて紹介しました。
筆者らはます酸化還元電位, つまり電子移動の反応自由エネルギーのDFT計算手法の開発を行いました。酸化還元自由エネルギーは, 還元体の酸化工ネルギー(イオン化エネルギーと関連)と酸化体の還元エネルギー(電子親和力と関連)の2つの反応エネルギーの平均から与えられ, またMarcusの電子移動理論や熱力学積分法などから導出されることを示しました。ここで明らかになったのは,  HOMOやLUMOといった電子の軌道工ネルギーは酸化還元電位ではないということです。この誤解は多数の論文で散見され, 注意が必要です。もう一点は, 酸化還元電位が一旦得られれば多数の電気化学反応の理解と予測ができることを再確認しました。
ここでは最も著名な光触媒のTi02について考えてみましよう。一般に水素生成(2H+ + 2e-→H2) はOV vs SHEより還元性の高い電子によって引き起こされ, 酸素生成(2H20 → 02 + 4H+ + 4e-)は1.23 V vs SHEより還元性の低い, 即ち電子を引き抜きやすい低エネルギー電子状態の存在によって起こります。ただ水の酸化は最初の一電子過程(H20 → OH + H+ + e-;酸化還元電位=+ 2.79 V vs SHE)を引き起こすのにかなり貴な電位が必要となるため, これが水分解の過電圧の一要因となっています。Ti02の価電子帯上端はおよそ> + 2.6V vs SHE以上の電位に相当する, かなり低い電子工ネルギーを持ちます。従ってもし伝導性のホールキャリアが生成され, それが界面にやってくれば, そこで水の酸化は起き始めます。これがTi02の光酸化力の強さの起源となっています。また伝導帯下端は水素生成に十分な程度の還元性を持っています。
筆者らはDFT-MDサンプリングおよび電子状態解析を駆使することにより, Ti02が界面方位によって対応する酸化還元電位や励起電子・ホールの界面集積性が異なることを示しました。Ti02の特徴的な光酸化力はanatase (001)/水界面で強くなることが示唆されました。一方, 従来反応性が高いと考えられていたanatase (101)/水界面は逆に励起電子を集積しやすく, 還元性が強いことがわかりました。また吸着水のために界面端に電子が届きにくいことから, 水素生成(2H+ + 2e-→H2)には励起電子をスムースに橋渡しする助触媒が必要になることもうまく説明できました。このように, 大規模高精度なDFT界面計算によって,  Ti02のバルクの性質だけではなく, それぞれの界面の役割に基づいた光触媒活性の理解が進みました。
蓄電池においても電極と電解液や電解質との界面の酸化還元反応は重要な役割を果たします。高性能でかつ高安全性も持つ次世代蓄電池の開発においては, 界面におけるイオン移動抵抗, 界面における電解液・電解質劣化が実のところ最重要課題となっています。
このように界面におけるイオン・電子の動き, 即ち界面イオニクス・エレクトロニクスは, エネルギー変換(生成)や貯蔵に密接に関係しており,  ノーベル化学賞を受賞された吉野先生も仰っている ET (エネルギー技術)革命によって社会を大きく変えていく上で, さらに界面科学も一歩先に進む必要があると考えられます。筆者も, この界面の科学技術の発展に貢献できるよう, 同じような志を持つ研究者・技術者と一緒に, 頑張っていきたいと考えています。