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電子レベルから2次粒子構造までのマルチスケール触媒シンタリングシミュレータの開発

Research Project

Project/Area Number 20656131
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

Allocation TypeSingle-year Grants
Research Field Catalyst/Resource chemical process
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

久保 百司  Tohoku University, 大学院・工学研究科, 教授 (90241538)

Project Period (FY) 2008 – 2009
Project Status Completed (Fiscal Year 2009)
Budget Amount *help
¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
Fiscal Year 2009: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2008: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Keywordsシンタリング / マルチスケール / シミュレータ / 電子レベル / 2次粒子構造 / 細孔径分布 / 触媒寿命 / μmレベル
Research Abstract

触媒設計・開発において、触媒寿命の予測、触媒劣化機構の解明は最も困難な課題の一つである。実験的な触媒劣化機構の解明には、長時間を必要とする触媒劣化試験を行う必要があるため、理論的な劣化予測手法の開発が求められている。これに対し研究代表者らは量子分子動力学法、分子動力学法、キネティックモンテカルロ法から構成されるマルチスケール触媒シンタリングシミュレータの開発に既に成功している。しかし、上記のシミュレータ群は担体を平坦な2次元平面と仮定して計算する方法論であり、1次粒子、2次粒子、細孔径分布を有する現実の工業触媒を反映しているとは言い難い。そこで、本研究では世界的にも初めて触媒担体の1次粒子、2次粒子、細孔径分布を考慮した電子レベルからμmレベルまでのマルチスケール触媒シンタリングシミュレータを開発することを目的とした。
昨年度開発したマルチスケール触媒シンタリングシミュレータを活用することで、固体酸化物形燃料電池におけるNi/YSZサーメット電極のシンタリングシミュレーションを行った。その結果、高温においてNiが多孔質YSZの間隙をぬって拡散し、シンタリング現象を起こすダイナミクスを解明することに成功した。さらに、様々な形状を有するNi/YSZサーメットモデルを構築し、Ni/YSZの形状がシンタリングに与える影響を明らかにした。また、Pt触媒においては、Ptの酸化劣化反応がシンタリングに大きな影響を与えることが実験的に知られている。そこで、Pt触媒の酸化反応ダイナミクスについても検討を行い、酸化反応における酸素原子の侵入パスを理論的に明らかにすることに成功した。さらに、Ptの酸化反応が触媒劣化に与える影響についても明らかにした。

Report

(2 results)
  • 2009 Annual Research Report
  • 2008 Annual Research Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2009 2008 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (2 results) Book (1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Simulation of Electron Diffusion in TiO_2 Porous Structures in Dye-Sensitized Solar Cells2009

    • Author(s)
      K.Ogiya, et al.
    • Journal Title

      Jpn.J.Appl.Phys. 48

    • Related Report
      2009 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fundamental Study of Deposition Mechanism of Cold Sprayed Ni-Base Superalloy Particle by Means of Molecular Dynamics Method2009

    • Author(s)
      S.Onchi, et al.
    • Journal Title

      J.Jpn.Thermal Spraying Soc. 46

      Pages: 116-120

    • Related Report
      2009 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dynamics of Hydrogen Spilover on Pt/γ-Al_2O_3 Catalyst Surface : A Quantum Chemical Molecular Dynamics Study2009

    • Author(s)
      F.Ahmed, et al.
    • Journal Title

      J.Phys.Chem.C 113

      Pages: 15676-15683

    • Related Report
      2009 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of tne Multi-Scale Simulator for tne Dye-Sensitized TiO_2 Nanoporous Electrode Based on Quantum Chemical Calculation2008

    • Author(s)
      K. Ogiya, et.al.
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys 47

      Pages: 3010-3014

    • Related Report
      2008 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of Porous Structure Simulator for Multi-Scalel Simulation of Irregular Porous Catalysts2008

    • Author(s)
      M. Koyaffla, et.al.
    • Journal Title

      Appl. Surf. Sci 254

      Pages: 7774-7776

    • Related Report
      2008 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multi-Scale Simulation Approach for Polymer Electrolyte Fuel Cell Cathode Design2008

    • Author(s)
      M. Koyama, et.al.
    • Journal Title

      ECS Trans 16

      Pages: 57-66

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    • Peer Reviewed
  • [Presentation] マルチフィジックス計算科学による燃料電池の性能・劣化解析と理論設計2009

    • Author(s)
      久保百司
    • Organizer
      とうほく6県新技術・新工法展示商談会
    • Place of Presentation
      トヨタ自動車、豊田
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  • [Presentation] 量子論に基づくマルチフィジックスシミュレータの触媒・材料設計への応用2008

    • Author(s)
      久保百司
    • Organizer
      理論計算によるクラスター・触媒の機能解明講演会
    • Place of Presentation
      大阪大学豊中キャンパス
    • Year and Date
      2008-12-19
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  • [Book] 触媒便覧2008

    • Author(s)
      久保百司, ら
    • Publisher
      講談社サイエンティフィク
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  • [Remarks]

    • URL

      http://www.kubo.rift.mech.tohoku.ac.jp/theme.html

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  • [Remarks]

    • URL

      http://www.kubo.rift.mech.tohoku.ac.ip/theme.html

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Published: 2008-04-01   Modified: 2016-04-21  

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