Current Research

電極電位を制御した電気化学界面の第一原理計算手法（ESM法・ESM-RISM法）を軸に、手法そのものの高度化と、燃料電池・水電解、蓄電池、CO₂や窒素の電気化学還元、腐食への応用を進めています。開発した手法はQuantum ESPRESSOに実装して公開しています。

手法の高度化

ESM-RISM法の効率化／表面応力／大正準アンサンブル／反応経路探索

ESM-RISM法の実装を見直して計算を効率化し（2026年）、溶媒の誘電応答を整合的に扱うRISMを開発しました（2022年）。バイアス電位下の表面応力（2024年）や、金属表面での水分子の拡散のバイアス依存性（2021年）を計算できるようにし、固液界面の素反応を系統的に探す反応経路探索とも組み合わせています（2023年）。

• S. Hagiwara and M. Otani, "An Efficient Implementation of the ESM-RISM Method for Simulating Electrode/Electrolyte Interfaces," J. Chem. Theory Comput. 22, 3633 (2026). doi
• S. Hagiwara, S. Ishibashi, and M. Otani, "Bias-dependent surface stress by density functional theory combined with the effective screening medium method," Phys. Rev. B 110, 155409 (2024). doi
• T. Hasegawa, S. Hagiwara, M. Otani, and S. Maeda, "A Combined Reaction Path Search and Hybrid Solvation Method for the Systematic Exploration of Elementary Reactions at the Solid–Liquid Interface," J. Phys. Chem. Lett. 14, 8796 (2023). doi
• S. Hagiwara, S. Nishihara, F. Kuroda, and M. Otani, "Development of a dielectrically consistent reference interaction site model combined with the density functional theory for electrochemical interface simulations," Phys. Rev. Materials 6, 093802 (2022). doi
• S. Hagiwara, C. Hu, S. Nishihara, and M. Otani, "Bias-dependent diffusion of a H₂O molecule on metal surfaces by the first-principles method under the grand-canonical ensemble," Phys. Rev. Materials 5, 065001 (2021). doi

燃料電池・水電解

水素発生反応／酸素還元反応／酸素発生反応／Pt電極

バイアス電位下のPt/水界面の第一原理分子動力学で、水素発生反応などの電極反応の動的過程を直接追跡しました（2008年）。正に帯電したPt表面での可逆な酸化還元反応と水の配向（2011年）、Pt上の酸素還元反応を第一原理計算と反応速度論で扱う研究（2014年、2017年）、銀電極上の分子触媒による水素生成（2017年）を進め、水電解の酸素発生触媒として一硫化ホウ素も調べています（2023年）。

• L. Li, S. Hagiwara, C. Jiang, H. Kusaka, N. Watanabe, T. Fujita, F. Kuroda, A. Yamamoto, M. Miyakawa, T. Taniguchi, H. Hosono, M. Otani, and T. Kondo, "Boron monosulfide as an electrocatalyst for the oxygen evolution reaction," Chem. Eng. J. 471, 144489 (2023). doi
• T. Ikeshoji and M. Otani, "Toward full simulation of the electrochemical oxygen reduction reaction on Pt using first-principles and kinetic calculations," Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 4447 (2017). doi
• T. Ikeshoji, T. Uchida, M. Otani, and M. Osawa, "First-principles molecular dynamics simulation for electrochemical hydrogen production by 4,4′-bipyridine molecular catalyst on silver electrode," J. Electroanal. Chem. 800, 13 (2017). doi
• N. Bonnet, M. Otani, and O. Sugino, "Self-Poisoning Dynamical Effects in the Oxygen Reduction Reaction on Pt(111) from a Top-Down Kinetic Analysis," J. Phys. Chem. C 118, 13638 (2014). doi
• T. Ikeshoji, M. Otani, I. Hamada, and Y. Okamoto, "Reversible redox reaction and water configuration on a positively charged platinum surface: first principles molecular dynamics simulation," Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20223 (2011). doi
• M. Otani, I. Hamada, O. Sugino, Y. Morikawa, Y. Okamoto, and T. Ikeshoji, "Electrode Dynamics from First Principles," J. Phys. Soc. Jpn. 77, 024802 (2008). doi

蓄電池・キャパシタ

MXene／黒鉛負極／正極材料

MXene電極の容量性と擬似容量性の蓄電（2020年）と、電気二重層構造と表面官能基の関係（2022年）、黒鉛へのLi挿入の熱力学（2021年）、クラスター展開とベイズ最適化によるLiCoO₂電極の構造変化（2023年）、高電圧リチウム電池で正極の導電炭素へのアニオン挿入が抑えられる仕組み（2025年）を調べています。

• K. Nakamura, N. Takenaka, S. Hagiwara, M. Otani, and A. Yamada, "Kinetic Suppression of Anion Intercalation into Cathode Conductive Carbon in High-Voltage Lithium Batteries," ACS Appl. Mater. Interfaces 17, 61439 (2025). doi
• F. Kuroda, S. Hagiwara, and M. Otani, "Structural changes in the lithium cobalt dioxide electrode: A combined approach with cluster expansion and Bayesian optimization," Phys. Rev. Materials 7, 115402 (2023). doi
• T. Shimada, N. Takenaka, Y. Ando, M. Otani, M. Okubo, and A. Yamada, "Relationship between Electric Double-Layer Structure of MXene Electrode and Its Surface Functional Groups," Chem. Mater. 34, 2069 (2022). doi
• J. Haruyama, S. Takagi, K. Shimoda, I. Watanabe, K. Sodeyama, T. Ikeshoji, and M. Otani, "Thermodynamic Analysis of Li-Intercalated Graphite by First-Principles Calculations with Vibrational and Configurational Contributions," J. Phys. Chem. C 125, 27891 (2021). doi
• Y. Ando, M. Okubo, A. Yamada, and M. Otani, "Capacitive versus Pseudocapacitive Storage in MXene," Adv. Funct. Mater. 30, 2000820 (2020). doi

CO₂・窒素の電気化学還元

CO₂還元／窒素還元／合金触媒のスクリーニング

CO₂還元反応に対するpHと電位の効果（2020年）、ハイスループット計算による多元合金触媒のスクリーニング（2024年）、IrO₂(110)上での窒素の電気化学還元によるアンモニア合成（2026年）を扱っています。

• S. Pan, M. Otani, T. Miyazaki, and J. Jiang, "Unraveling the nitrogen fixation and electrochemical reduction to ammonia on IrO₂ (1 1 0): DFT, ESM-RISM, and microkinetic simulation," J. Catal. 453, 116566 (2026). doi
• F. Kuroda, M. Ibe, and M. Otani, "Screening Multicomponent Alloys Using Evidence Theory and High-Throughput DFT Calculations for C₂-Selective eCO₂RR," J. Phys. Chem. C 128, 17302 (2024). doi
• S. Weitzner, S. Akhade, J. Varley, B. Wood, M. Otani, S. Baker, and E. Duoss, "Toward Engineering of Solution Microenvironments for the CO₂ Reduction Reaction: Unraveling pH and Voltage Effects from a Combined Density-Functional–Continuum Theory," J. Phys. Chem. Lett. 11, 4113 (2020). doi

腐食

アルミニウム電極／酸化皮膜

酸性NaCl水溶液中のAl電極の自然腐食電位を、密度汎関数理論とRISMを組み合わせて評価し（2021年）、アルミナ/アルミニウム界面でアニオンの吸着が引き起こす電荷分離を調べています（2025年）。

• S. Hagiwara, T. Murata, and M. Otani, "Anion adsorption-induced charge separation at the alumina/aluminum interface," Corros. Sci. 256, 113150 (2025). doi
• K. Kano, S. Hagiwara, T. Igarashi, and M. Otani, "Study on the free corrosion potential at an interface between an Al electrode and an acidic aqueous NaCl solution through density functional theory combined with the reference interaction site model," Electrochim. Acta 377, 138121 (2021). doi