利用報告書 / User's Report | ARIM Japan公式ホームページ_マテリアル先端リサーチインフラ

【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2023.05.17】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22UT0252

利用課題名 / Title

機械学習を用いた光触媒材料の最適化

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/Electron microscopy,太陽電池/ Solar cell,電極材料/ Electrode material

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

片山　建二

所属名 / Affiliation

中央大学

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

林祐太

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

福川昌宏,近藤尭之

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-101：低損傷走査型分析電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

　我々は、数十から数百の小規模なデータから光触媒材料の性能を予測するために、材料の複数の分析化学データを用いて性能を予測し、重要な因子を特定する方法を開発してきた。これまでは、分光・電気化学的情報を基に材料性能を単一の光電流値を予測してきたが、本研究では、電子顕微鏡画像による構造情報のみを用いて、光電流曲線全体を予測することに取り組んだ。光電気化学 (PEC) 水分解の光アノード電極として注目されているバナジン酸ビスマス (BiVO₄) について研究するために、この材料のSEM imageの測定を行った。

実験 / Experimental

　前駆体溶液から作成したBiVO4電極について、二次電子像 (SEI; Secondary Electron Image) および反射電子像 (BEI; Backscattered Electron Image)を測定した。測定では、複数の倍率 (2,000倍、4,000倍、 10,000倍、50,000倍)での測定を行った。機械学習に適用するデータとして用いるために、31試料の測定を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

Fig. 1に測定したSEMの測定例を示す。一般的に知られているようにSEIでは表面構造、BEIでは物質の不均一性を反映した構造情報が得られている。画像データ(1024 ✕ 900 pixel)の一部を無作為に切り出し説明変数とした。その試料のI-V曲線の0.4 −1.4 V(間隔0.1 V)における電流値を目的変数とした。このデータを用いて、5分割交差検証によりCNNの回帰モデルを構築した。最後に、実際のI-V曲線とテストデータにより予測したI-V曲線により決定係数（曲線間の一致度）を算出し、その値が0.95以上となるようなデータの割合を評価指標とした。Fig. 2にSEM画像（SEI）を用いて光電流曲線を予測した結果を示す。この結果より4000倍の画像を用いた場合、正解率は70％以上に達した。以上より、SEMの構造情報から、光電流特性という直接の関係のない特性を予測することに成功した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 SEM Images of BiVO4 photoanode with a mode of (a) SEI and (b) BEI.

Fig.2 The predicted PEC curves using the SEI images with different magnifications of, a) 2,000 b) 4,000 c) 10,000 d) 50,000.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

投稿準備中

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件