Large-scale DFT calculations of active sites around the interface in metallic nanoparticle catalytic systems

• Project Area: 3D Active-Site Science
• Project/Area Number: 17H05224
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 中田 彩子 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (20595152)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2018: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2017: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 大規模DFT計算 / 触媒 / ナノ粒子 / 物性物理 / 理論化学 / 金属ナノ粒子

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、我々が開発している大規模第一原理DFT計算プログラムCONQUESTを用いて、金属ナノ粒子触媒を実在に近い形で表現した大規模モデルに基づくDFT計算を行うことにより、触媒と反応分子との相互作用や接続界面での構造・電子状態を解析することを目指した。平成30年度はPdコア-Agシェル(Pd@Ag)ナノ粒子触媒およびCo2Pナノロッド触媒の解析を行った。
まず、Pd@Agコアシェルナノ粒子を用いたアルキン部分水素化反応について検討を行った。Pdナノ粒子、Agナノ粒子、Pd@Agナノ粒子の安定構造における構造や電子状態の比較を行った結果、ナノ粒子化することによる構造緩和は層厚に依らず主にAgシェル側で起こることが分かった。また電子状態に関しては、Agナノ粒子の表面はAuナノ粒子のときと同様に負に帯電しており層間の分極が非常に大きいのに対し、Pdナノ粒子では表面は若干正に帯電しているものの分極は小さいことが示された。一方コアシェルナノ粒子の場合には、Agシェル層が表面1層だけの場合には、表面第2層に相当するPdコア界面が大きく負に分極する性質が現れることが明らかとなった。また状態密度の計算から、コアシェル界面では状態密度が単元素ナノ粒子の場合とは異なっており、界面の影響が表れるのは、Pdコア、Agシェルとも界面の1層程度であることが分かった。
Co2P触媒に関しては、領域内試料班の満留准教授と協力して、Co表面とCo2P表面の電子状態の比較を行った。その結果、Co2PではCoとPの間の電子移動量は大きくないものの、軌道ごとにみるとFermiレベル近傍のCoのd軌道の状態密度がCo単体のときよりも増加していることや、その傾向が表面ではより顕著であることが分かった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University College London(英国)
• [Int'l Joint Research] ロンドン大学(英国)
• [Journal Article] High-accuracy large-scale DFT calculations using localized orbitals in complex electronic systems: the case of graphene?metal interfaces (2018)
  • Author(s): Romero-Muniz Carlos、Nakata Ayako、Pou Pablo、Bowler David R、Miyazaki Tsuyoshi、Perez Ruben
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 30 Issue: 50 Pages: 505901-505901
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aaec4c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficient Calculation of Electronic Structure Using O(N) Density Functional Theory (2017)
  • Author(s): Nakata Ayako、Futamura Yasunori、Sakurai Tetsuya、Bowler David R、Miyazaki Tsuyoshi
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 13 Issue: 9 Pages: 4146-4153
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.7b00385
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Large-scale DFT simulation on metallic nanoparticle catalysts (2019)
  • Author(s): Ayako Nakata, Tsuyoshi Miyazaki
  • Organizer: ACS 2019 National Meeting & Expo
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pd@Agコアシェルナノ粒子触媒の構造・電子状態に関する大規模DFT計算 (2019)
  • Author(s): 中田彩子, 宮崎剛
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Large-scale DFT calculations on metallic systems using multi-site local orbitals in CONQUEST (2019)
  • Author(s): Ayako Nakata, David R. Bowler, Tsuyoshi Miyazaki
  • Organizer: International Center for Theoretical Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大規模DFT計算によるPd@Agコアシェルナノ粒子触媒の構造・電子状態解析 (2019)
  • Author(s): 中田彩子, 宮崎剛
  • Organizer: 第22回理論化学討論会
• [Presentation] Eigenstate-analysis using Sakurai-Sugiura method with O(N)-DFT code CONQUEST (2018)
  • Author(s): A. Nakata, Y. Futamura, T. Sakurai, David R Bowler, T. Miyazaki
  • Organizer: MolSSI Workshop / ELSI Conference: Solving or Circumventing Eigenvalue Problems in Electronic Structure Theory
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Eigenstate calculations using Sakurai-Sugiura method with the large-scale electronic structure calculation code CONQUEST (2018)
  • Author(s): Ayako Nakata, Yasunori Futamura, Tetsuya Sakurai, David R. Bowler, Tsuyoshi Miyazaki
  • Organizer: SIAM Conference on Parallel Processing for Scientific Computing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大規模第一原理計算手法による材料シミュレーション (2018)
  • Author(s): 中田彩子
  • Organizer: 透明酸化物光・電子材料第166委員会 第78回研究会
  • Invited
• [Presentation] Efficient calculation of electronic structure with the large-scale DFT code CONQUEST (2018)
  • Author(s): Ayako Nakata, Yasunori Futamura, Tetsuya Sakurai, David R. Bowler, Tsuyoshi Miyazaki
  • Organizer: International Workshop on Massively Parallel Programming for Quantum Chemistry and Physics 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Large-scale DFT calculations of local atomic and electronic structures at active sites in gold nanoparticle catalysts (2017)
  • Author(s): Ayako Nakata, Tsuyoshi Miyazaki
  • Organizer: Swedish-Japanese Workshop on 3D-Active-Site Imaging by Novel Micro Beams
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金ナノ粒子触媒の構造・電子状態のサイズ依存性に関する大規模DFT計算 (2017)
  • Author(s): 中田彩子, 宮崎剛
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Remarks] CONQUEST: Linear Scaling DFT
  • URL: http://www.order-n.org/