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概要

水電池へ使用されるV2O5電極表面への水吸着

水と金属酸化物表面間における相互作用というファクターは科学において幅広い分野と関係しており、例えば水電池の電極材料や触媒に関連しています。 特に五酸化バナジウム(V2O5)は水電池や触媒用の電極材料として広く使用されています。
本論文では、V2O5(1 0 0)表面などに水分子が吸着した場合の挙動解析をMaterialsStudioを使用することで行っております。

Reference

  • Z. Bing-Kai, et al., Chinese J. Struct. Chem., 39, 189(2020).

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    手法

    計算モデルと手法

    本論文では、吸着する物質には五酸化バナジウム(V2O5)を、吸着される物質には水を適用しています。 また、(0 0 1)、(0 1 0)、(1 0 0)の3方向における吸着シミュレーションを行い、反応経路を比較しています。 それぞれの反応経路は LST/QST法 を適用した遷移状態探索により導出することが出来ます。
    モデルの構造最適化や遷移状態探索には、量子力学計算に幅広い計算対象を取ることが出来るCASTEPモジュールを使用しました。

    keyword

  • CASTEP：DFTに基づいた量子力学モジュールです。半導体、金属などの固体材料を計算することが出来ます (データシート参照)。

    • 結果

    求められた物性値の考察

    上に(0 0 1)、(0 1 0)、(1 0 0)の3方向（右上、左下、左上）における反応解析結果を示しました。 これらを比較すると、(0 0 1)面における反応エネルギー障壁は一番高くかつ吸着後の安定性も一番増しているため、この面に吸着した水分子は熱力学的に解離しにくいとわかります。
    次に残りの2つに注目すると、V2O5表面に水分子が吸着する際、V-O間距離が非常に近くなっていることを見てとることが出来ます。 このような距離の変化はV2O5触媒が水分子から酸素原子を取り上げうることを示唆しており、この現象は実験と一致していることが知られています。

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