エンタルピー・エントロピー第一原理計算による電気化学界面反応へのアプローチ

使用熵和熵的第一原理计算电化学界面反应的方法

基本信息

批准号：
22K05049
负责人：
中農浩史
金额：
$ 2.66万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

電池における閉回路/開回路条件が電気化学界面における電解液の液体構造とダイナミクスに対しどのように影響を与えるかを理解するため、閉回路/開回路条件を同じ理論的枠組みのもとで取り入れることの出来る古典分子動力学シミュレーション法を開発した。この方法では、先行研究では正しく考慮されていなかった金属電極の分極効果がどちらの回路条件でも等しく取り入れられるため、それまでは混同されていた界面の構造・ダイナミクスに対する"回路条件の違いによる効果"と"金属電極の分極効果"を分離して調べることが可能になった。界面のダイナミクスは、電極の分極効果というより回路条件の違いにより大きく変化し、開回路条件下では非平衡溶媒構造による不十分な静電遮蔽により電解液分子・イオンのダイナミクスが大きく加速されることを示した。電極-電解液界面上の分子の構造と電子状態は電極と周囲の電解液分子・イオンとの相互作用、さらに印加電圧から大きく影響を受け、反応性や光応答性などが変化する。この効果を定量的に調べるため、注目する界面分子のみを量子化学的に扱い、電極と電解液分子・イオンを古典的に扱い、さらに印加電圧の効果を取り入れることの出来る定電圧QM/MM法を開発した。動きの遅い電解液分子・イオンの熱運動効果を十分に記述するための工夫も取り入れることで、従来法では非常に困難であった電気化学界面現象に対する統計力学的な議論も可能である。アセトニトリル電解液中の金属電極上のキノン分子に対し計算を行い、分子の構造と電子状態が界面における相互作用と印加電圧によりどのように変化するかを明らかにした。

为了了解电池的封闭/开路条件如何影响电化学接口处电解质的液体结构和动力学，我们开发了一种经典的分子动力学模拟方法，该方法允许在相同的理论框架下合并封闭/开放电路条件。该方法同样结合了金属电极的极化效应，在两种电路条件下，在先前的研究中未正确考虑，这使得可以分离并检查“电路条件下差异的影响”以及“金属电极对金属电极的极化效应”对以前困惑的接口的结构和动力学的“极化效应”。界面的动力学差异很大，这是由于不同的电路条件而不是电极的极化效应，并且在开路条件下，已经表明，非平衡溶剂结构不足的静电屏蔽层不足，可以极大地加速电解质分子和离子的动力学。电极 - 电解质界面上分子的结构和电子状态受电极与周围电解质分子和离子之间的相互作用以及施加的电压的相互作用极大的影响，从而导致反应性和光反应性的变化。为了定量研究这种效果，我们开发了一种恒定的电压QM/mm方法，该方法只能在化学上处理量子感兴趣的界面分子，经典处理电极，电解质分子和离子，并结合施加的伏特的效果。通过合并思想以充分描述缓慢移动的电解质分子和离子的热运动效应，可以讨论电化学界面现象的统计力学，这对于常规方法非常困难。对乙腈电解质的金属电极上的奎因酮分子进行计算，以阐明分子的结构和电子状态如何由于界面上的相互作用和施加电压而变化。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

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专利数量（0）

Unified polarizable electrode models for open and closed circuits: Revisiting the effects of electrode polarization and different circuit conditions on electrode-electrolyte interfaces

开路和闭路的统一可极化电极模型：重新审视电极极化和不同电路条件对电极-电解质界面的影响

DOI：
10.1063/5.0093095
发表时间：
2022
期刊：
The Journal of Chemical Physics
影响因子：
0
作者：
Takahashi Ken;Nakano Hiroshi;Sato Hirofumi
通讯作者：
Sato Hirofumi

Accelerated constant-voltage quantum mechanical/molecular mechanical method for molecular systems at electrochemical interfaces

电化学界面分子系统的加速恒压量子力学/分子力学方法

DOI：
10.1063/5.0128358
发表时间：
2022
期刊：
The Journal of Chemical Physics
影响因子：
0
作者：
Takahashi Ken;Nakano Hiroshi;Sato Hirofumi
通讯作者：
Sato Hirofumi

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DOI：
发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
0
作者：
中農浩史;佐藤啓文
通讯作者：
佐藤啓文

電極-電解質界面における電子移動の微視的理解：新規第一原理計算手法の開発

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DOI：
发表时间：
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影响因子：
0
作者：
Erik Loetstedt;Tsuyoshi Kato;and Kaoru Yamanouchi;藤尾一輝，浜崎亜富，高嶋泰正，尾関寿美男;Y. Kosuga;西田叡倫・赤間知子・小林正人・武次徹也;浜崎亜富，藤尾一輝，高嶋泰正，尾関寿美男;中農浩史
通讯作者：
中農浩史