第一原理計算と離散曲面論を用いたグラフェンナノ構造体の触媒活性制御

• Project Area: Discrete Geometric Analysis for Materials Design
• Project/Area Number: 20H04639
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 大戸 達彦 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (90717761)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 第一原理計算 / 標準実現 / グラフェン / 触媒

Outline of Research at the Start

グラフェンに化学修飾を施して触媒として用いようとする研究が盛んに行われているが、化学修飾の自由度の大きさから、触媒としての設計指針を確立することは容易ではない。第一原理計算による触媒表面と反応物の吸着構造の決定は有用な手法であるが、実験との突き合わせが大きな課題となる。本研究では、欠陥・ドーパント（N、P）・官能基を導入したグラフェンに対して水分解反応の第一原理計算を行い、数学的モデルと実験にフィードバックすることで高活性の触媒開発に結びつける。

Outline of Annual Research Achievements

普遍的かつ貴金属を使用しない触媒材料設計を達成するため、数学的に炭素ネットワーク構造を予測する標準実現に対して、窒素原子などの化学元素を導入する枠組みを提唱した。より正確に構造を再現するために、近接原子間の反発力を考慮することで、必要最小限の物理現象を組み入れた改善型標準実現モデルを開発し、既存のシミュレーション法を用いて材料設計可能なレベルで構造を再現できていることを確認した。また、数学モデルから導き出された最適な材料設計を用いて、実際に 3 次元グラフェンを作製し、意図した触媒設計が有用であることを実験的に実証した（Carbon 182, 2021, 223-232）。
3 次元グラフェン触媒の設計を行う上で、曲面を形成するために導入された欠陥構造を持つカーボンネットワークの単純化を行った。カーボンネットワークをバネの連結体とみなした標準実現に対して、第二近接原子間の反発力を加えた改善型標準実現を構築した。この改善型標準実現が正しく構造を構築できるかどうかを最も精度の信頼性が高いとされる第一原理計算手法と比較して調べた。六員環から構成されるグラフェンの格子に五員環と七員環のペア欠陥（以下、5-7 欠陥）を二つ導入した構造を再現したところ、両者の構造特徴は定性的にほぼ一致し、曲面の指標であるガウス曲率の変化を再現できることが明らかとなった。CPU1 コアでの計算時間を簡単に比較すると、改善型標準実現の計算時間が 39 マイクロ秒に対して、第一原理計算手法の計算時間は 4 万 6 千秒であったので、改善型標準実現は第一原理計算より 10 億倍速く計算できることがわかった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マックスプランクポリマー研究所(ドイツ)
• [Journal Article] Phase-Dependent Electrochemical CO2 Reduction Ability of NiSn Alloys for Formate Generation (2021)
  • Author(s): Ito Yoshikazu、Kukunuri Suresh、Jeong Samuel、Elumalai Ganesan、Haji Tajuddin Aimi Asilah、Xi Zeyu、Hu Kailong、Ohto Tatsuhiko
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 4 Issue: 7 Pages: 7122-7128
  • DOI: 10.1021/acsaem.1c01207
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Geometric model of 3D curved graphene with chemical dopants (2021)
  • Author(s): Dechant Andreas、Ohto Tatsuhiko、Ito Yoshikazu、Makarova Marina V.、Kawabe Yusuke、Agari Tatsufumi、Kumai Hikaru、Takahashi Yasufumi、Naito Hisashi、Kotani Motoko
  • Journal Title: Carbon Volume: 182 Pages: 223-232
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2021.06.004
  • NAID: 120007180740
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Control of dominant conduction orbitals by peripheral substituents in paddle-wheel diruthenium alkynyl molecular junctions (2021)
  • Author(s): Ogawa Shiori、Chattopadhyay Swarup、Tanaka Yuya、Ohto Tatsuhiko、Tada Tomofumi、Tada Hirokazu、Fujii Shintaro、Nishino Tomoaki、Akita Munetaka
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 12 Issue: 32 Pages: 10871-10877
  • DOI: 10.1039/d1sc02407h
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Catalytic activity of graphene-covered non-noble metals governed by proton penetration in electrochemical hydrogen evolution reaction (2021)
  • Author(s): Hu Kailong、Ohto Tatsuhiko、Nagata Yuki、Wakisaka Mitsuru、Aoki Yoshitaka、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 203-203
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20503-7
  • NAID: 120006952196
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Improving Intramolecular Hopping Charge Transport via Periodical Segmentation of π-Conjugation in a Molecule (2021)
  • Author(s): Y. Ie, Y. Okamoto, T. Inoue, T. Seo, T. Ohto, R. Yamada, H. Tada, Y. Aso
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 143 Issue: 2 Pages: 599-603
  • DOI: 10.1021/jacs.0c10560
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-Molecule Conductance of a π-Hybridized Tripodal Anchor while Maintaining Electronic Communication (2021)
  • Author(s): T. Ohto, A. Tashiro, T. Seo, N. Kawaguchi, Y. Numai, J. Tokumoto, S. Yamaguchi, R. Yamada, H. Tada, Y. Aso, Y. Ie
  • Journal Title: Small Volume: 17 Issue: 3 Pages: 2006709-2006709
  • DOI: 10.1002/smll.202006709
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Acceleration of Electrochemical CO2 Reduction to Formate at the Sn/Reduced Graphene Oxide Interface (2021)
  • Author(s): Tsujiguchi Takuya、Kawabe Yusuke、Jeong Samuel、Ohto Tatsuhiko、Kukunuri Suresh、Kuramochi Hirotaka、Takahashi Yasufumi、Nishiuchi Tomohiko、Masuda Hideki、Wakisaka Mitsuru、Hu Kailong、Elumalai Ganesan、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 11 Issue: 6 Pages: 3310-3318
  • DOI: 10.1021/acscatal.0c04887
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Decoding the molecular water structure at complex interfaces through surface-specific spectroscopy of the water bending mode (2020)
  • Author(s): Seki Takakazu、Yu Chun-Chieh、Yu Xiaoqing、Ohto Tatsuhiko、Sun Shumei、Meister Konrad、Backus Ellen H. G.、Bonn Mischa、Nagata Yuki
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 22 Issue: 19 Pages: 10934-10940
  • DOI: 10.1039/d0cp01269f
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Vibrational mode frequency correction of liquid water in density functional theory molecular dynamics simulations with van der Waals correction (2020)
  • Author(s): Zhong Kai、Yu Chun-Chieh、Dodia Mayank、Bonn Mischa、Nagata Yuki、Ohto Tatsuhiko
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 22 Issue: 22 Pages: 12785-12793
  • DOI: 10.1039/c9cp06335h
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Vibrational couplings and energy transfer pathways of water’s bending mode (2020)
  • Author(s): Yu Chun-Chieh、Chiang Kuo-Yang、Okuno Masanari、Seki Takakazu、Ohto Tatsuhiko、Yu Xiaoqing、Korepanov Vitaly、Hamaguchi Hiro-o、Bonn Mischa、Hunger Johannes、Nagata Yuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 5977-5977
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19759-w
  • NAID: 120006952194
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Correlation between the Dipole Moment of Nonfullerene Acceptors and the Active Layer Morphology of Green-Solvent-Processed P3HT-Based Organic Solar Cells (2020)
  • Author(s): S. Chatterjee, T. Ohto, H. Tada, S. Jinnai, Y. Ie
  • Journal Title: ACS Sustainable Chem. Eng. Volume: 8 Issue: 51 Pages: 19013-19022
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c07114
  • Peer Reviewed / Open Access