Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

金属サブナノ粒子 / 窒素酸化物還元触媒 / 機械学習 / 密度汎関数理論

アルカリ水電解 / 電気化学触媒 / 機械学習 / 密度汎関数理論 / 酸素発生反応 / 金属酸化物 / 構造因子 / Fe―O結合長 / 金属リン酸化物 / 水素発生反応

令和３年度は、令和２年度に実施した機械学習とDFT計算により得られた知見により高活性な卑金属触媒の開発、および触媒と結晶構造の間に眠る未知の法則の解明に取り組んだ。
まず水電解アノードの酸素発生反応(OER)用触媒の結晶構造の制御による高活性化を目指した。大きな金属－金属配位数から高いOER活性が期待されるレイヤー型コバルト－マンガン複合酸化物をグラフェン担体上で直接成長させ微粒子化することで、既報の遷移金属二元酸化物の中で最高の触媒活性を発揮させた。(Chem. Commun., 57, 9052-9055, 2021. Inside Back Coverに採用)
次に、安価な卑金属である鉄に着目し、鉄系酸化物のOER活性を決定する結晶構造の因子の解明を行った。実験および機械学習による回帰分析の結果、構造パラメータのうちFe-O結合長がOER活性に対する最重要因子であることを見出し、Fe-O結合長が短いほどOER活性が向上するという、OER活性に関する未知の法則を発見した。またこの法則は触媒材料の元素組成と鉄の価数に無関係であることを明らかにした。さらに、当法則は、Perovskite, Spinel, Brownmillerite, Stuffed Tridymite, M-type Hexaferrite, Ruddlesden-Popper型を含む多様な構造カテゴリーの鉄系複合酸化物に適用可能であることも示した。(ChemElectroChem, 9, e202101679, 2022. Front Coverに採用、Cover Profileで紹介)
以上のように、Fe-O結合長というバルクの結晶構造のパラメータによって触媒粒子表面で進行する反応の活性を記述可能であることを明らかにし、水電解電極反応の触媒作用に関する新規な法則を提案した。

コンピューティクス / 密度汎関数理論 / 機械学習 / デバイス界面 / エピタキシャル成長 / 原子反応

本年度における、パワー半導体表面界面系に対する計算で得られた成果としては、(1) GaNデバイスのゲート絶縁膜として、シリカとアルミナの混合アモルファス酸化物 AlSiO = (SiO2)x(Al2O3)1-x がデバイス特性を改善することの提唱、(2) GaN中のらせん転位はアクセプター原子Mgと結合し、漏れ電流の起源となることの解明、(3) GaNのステップフローモードのエピタキシャル成長機構解明、があげられる。
(1)については、第一原理MD法に基づく熔融クエンチ法によりアモルファスAlSiOを作成し、そこでの酸素空孔の構造と電子準位を明らかにした。その結果、Alに囲まれた酸素空孔の生成エネルギーは高く、Siに囲まれた酸素空孔ができやすいこと、Siに囲まれた酸素空孔はGaNのギャップ中に電子準位を引き起こさないこと、がわかった。これにより、AlSiO絶縁膜は絶縁破壊に対する耐性が高いことが示唆される。
(2)については、らせん転位芯の原子構造を初めて明らかにし、さらに、その転位芯はMg原子をひきつけることがわかった。この転位芯とMgの複合体形成により、アクセプター準位が価電子帯に埋没し、一方、転位芯起因の準位が伝導帯近くに上昇し、ドナー的振る舞いをすることがわかった。これはpn接合中のらせん転位は、p型領域のMgをひきつけ、その領域をn型に変化させてしまうこと、したがって逆バイアス下での漏れ電流を引き起こすこと、を示している。
(3)については、Gaリッチな成長表面でのステップ構造を網羅的に探索し、それらの原子構造とステップ生成エネルギーを計算した。さらにテラス上でのアンモニアの分解によって生じたNHユニットがテラス上を0.6 eVの拡散障壁を超えてステップ端に到達し、Ga 原子とともに、水素原子の脱離を促し、ステップフロー成長が起こることが示された。

【研究分担者】
洗平昌晃	名古屋大学	未来材料・システム研究所	助教	(Kakenデータベース)
松下雄一郎	東京工業大学	物質・情報卓越教育院	特任准教授	(Kakenデータベース)