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助成番号 180467
研 究 成 果 報 告 書

研究テーマ（和文） ＡＢ

光触媒と電解液界面の幾何構造と電子構造の関係の解明

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Investigation of the relation between the geometric and electronic structure of thephotocatalyst/electrolyte interface

研究氏
代表名
者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓）ｻﾄｳ名）ﾏｻﾋﾛ

研究期間 Ｂ

２０１８～ ２０１９

漢字 ＣＢ

佐藤正寛

報告年度 ＹR

２０１９年

Masahiro

研究機関名

東京大学

ﾛｰﾏ字 ＣＺ Sato

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名年

東京大学先端科学技術研究センター・助教

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
持続可能なエネルギー社会を実現する鍵の一つとして水素エネルギーが注目されている。そこで、本研究では、水分解に関する in situ(光電気化学反応が起きる環境における)光触媒/電解液界面の幾何構造および、電子構造をAP-XPS(雰囲気 X 線光電子分光)法によって測定し、得られた結果を第一原理計算の結果を用いて解析し、さらには第一原理計算の結果との比較を通じて、ミクロレベルでの光触媒性能の評価方法を確立することを目的としている。なお、ここでいう界面幾何構造は半導体表面における電解液の分子原子の吸着・配向状態を、電子構造は半導体側と電解液側の電子準位の接続状態・界面準位の状態密度を指す。
本研究ではいたずらに表面構造を複雑にしないため、解析が行いやすい GaN 結晶を用いた。第一原理計算によって計算される種々の表面モデルに関するバインディングエネルギーをもとに測定によって得られる XPS スペクトルの帰属を行うことで表面吸着種やその量を評価することができることがわかった。それにとどまらず表面に吸着する水分子の水素結合によって吸着の安定性がどのように変化するか、あるいは XPS のバインディングエネルギーがどのように変化するかまでも第一原理計算によって明らかにすることができた。
さらに加え、第一原理計算をもとに表面の水の量に応じて表面幾何構造がどのように変化するか、またそのとき界面の電子準位接続がどのように変化するか「予想」した。AP-XPS 実験によって表面の水分子の量を変化させながら表面幾何構造や電子準位接続を測定したところ、第一原理計算の予測が正しいことを確認することができた。これは同時に、表面の幾何構造と電子準位接続がどのように結びついているかも第一原理的に予想できることを示したものである。第一原理計算による固体/液体界面の幾何・電子構造予測という先駆的な試みは成功したといえる。

キーワード ＦＡ

第一原理

水分解

AP-XPS（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -オペランド

発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Atomistic-Level Description of GaN/Water Interface by a Combined Spectroscopic andFirst-Principles Computational Approach

著者名 ＧＡ

M. Sato et al.

雑誌名 ＧＣThe Journal of Physical Chemistry Cページ ＧＦ

12466～12475

発行年 ＧＥ

2雑誌

02

0

巻号 ＧＤ

124

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ
著者名 ＨＡ

図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
Photocatalytic water splitting takes place at the semiconductor/electrolyte interface. Although thereactions are strongly affected by the subtle changes in the interface structure, little is known about
the interface from an atomistic point of view. In this study, we investigate the GaN(0001)/waterinterface structure by combining first-principles calculation and ambient pressure X-ray photoelectron
spectroscopy (AP-XPS). In particular, the relationship between the geometric and electronic structureof the interface is revealed.
First, the evolution of the GaN/water interface structure upon water adsorption is predicted fromfirst-principles calculations. AP-XPS measurements were carried out for the water coverage ranging from
submonolayer (low coverage) to several monolayers (high coverage). The core-level binding energies
calculated from first-principles were used successfully to assign the adsorbate species to experimental
O 1s peaks. Both the electronic and geometric structures predicted by the first-principles calculation
explain well the experimental spectra obtained by the AP-XPS measurements. The results demonstrate thatthe combined spectroscopic and first-principles computational approach offers a detailed atomic level
understanding of the solid/liquid interface structures. We expect that the combined spectroscopic andfirst-principles computational approach will provide insights into the increasingly complex interfaces.

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