Studies of atomic and electronic structures and dynamics of functional zeolites by synchrotron radiation

• Project Area: Progressive condensed matter physics inspired by hyper-ordered structures
• Project/Area Number: 23H04117
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 細川 伸也 熊本大学, 産業ナノマテリアル研究所, 特任教授 (30183601)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 超構造科学 / 機能性ゼオライト / 放射光 / 部分原子構造 / 電子状態 / ダイナミクス / 多孔質物質 / 原子配列 / 電子構造

Outline of Research at the Start

重要な機能性を発現する材料の一つとして注目されているゼオライトを対象として、元素選択性あるいは電子状態選択性を持つ放射光を用いた X線異常散乱や蛍光X線ホログラフィーによる3次元原子イメージの構築、軟X線発光分光による部分電子構造、非弾性散乱による元素選択型のダイナミクスと、それを助けるデータ科学としてスパース・モデリングとベイズ推定を取り入れ、協奏的にゼオライトの基礎物性に迫る。またそれらの実験結果は密度汎関数法による理論計算で正当性を明らかにする。それらの成果は、新しいゼオライト合成にフィードバックするとともに、その新しい機能性を提案する。

Outline of Annual Research Achievements

数多くの重要な機能性を発現する材料として注目されているゼオライトを対象として、その原子配列、電子状態およびダイナミクスの基礎物性を放射光を用いて観測を行った。排ガス純化触媒として用いられている鉄あるいは銅を含むゼオライトについてX線異常散乱の実験を行い、鉄あるいは銅のまわりの部分原子配列を求めた。また高エネルギーX線回折法を用いて、全体の構造を明らかにし、2体分布関数解析を詳細に行った。さらにこれらの金属元素を含むゼオライトの原子振動についてX線非弾性散乱測定を行った。これらの実験結果より、鉄あるいは銅の金属原子がクラスターを形成している兆候を見出した。電子状態の観点からは、軟X線吸収・発光分光法を用いて、酸素2pあるいは鉄あるいは銅3d部分電子構造を求めた。今後は密度汎関数理論計算を行うことにより、実験的に得られた物性を理論的にサポートするとともに、ゼオライトの機能発現のメカニズムを明らかにし、機能の高度化に貢献したい。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定していた実験については、概ね想定した結果を得ている。特に、金属クラスターの存在を示唆する結果は、ゼオライトの触媒機能を考察する上で、極めて重要なヒントとなり得る。今後の密度汎関数理論計算の大きな問題は、ゼオライトの単位格子が非常に大きく、実験で求めた金属クラスターの存在を証明するには、大型計算機の利用が不可欠であるため、新たな計算プログラムを考案する必要があり、その開発に時間を要している。

Strategy for Future Research Activity

排ガス純化触媒として用いられている鉄あるいは銅を含むゼオライトについては、予定していた実験はほぼ終わったので、その結果を矛盾なく説明する密度汎関数理論計算を行っていきたい。ゼオライトの単位格子が非常に大きく、実験で求めた金属クラスターの存在を証明するには、大型計算機の利用が不可欠であるため、新たな計算プログラムを考案する必要があるので、今後はそこに集中して研究を進めていきたい。

Research Products

• [Journal Article] Local- and Intermediate-range Partial Structure Study of As-Se Glasses (2024)
  • Author(s): Hosokawa Shinya、Stellhorn Jens Ruediger、Boudet Nathalie、Blanc Nils、Magome Eisuke、Pusztai Laszlo、Kohara Shinji、Ikeda Kazutaka、Otomo Toshiya
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 93 Issue: 1
  • DOI: 10.7566/jpsj.93.014601
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Improved data analysis for molecular dynamics in liquid CCl4 (2024)
  • Author(s): Hosokawa Shinya、Yoshida Koji
  • Journal Title: Journal of Molecular Liquids Volume: 395 Pages: 123828-123828
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2023.123828
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic and Electronic Structures on a Mordenite Zeolite (2023)
  • Author(s): Hosokawa Shinya、Sato Hitoshi、Tezuka Yasuhisa、Adachi Jun-ichi、Kimura Koji、Hayashi Koichi、Kohara Shinji、Tajiri Hiroo、Kobayashi Kentaro、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 22 Issue: 1 Pages: 25-31
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2023-063
  • ISSN: 1348-0391
  • Year and Date: 2023-09-21
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural origins of the unusual thermal stability of amorphous Cu_xGe_(50-x)Te_50 (0<x<33.3) (2023)
  • Author(s): Stellhorn J R、Paulus B、Klee B D、Inui M、Taniguchi H、Sutou Y、Hosokawa S、Pilgrim W-C
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 35 Issue: 30 Pages: 304004-304004
  • DOI: 10.1088/1361-648x/acce13
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Atomic and electronic structures of an Ag-containing 4A zeolite (2023)
  • Author(s): Hosokawa Shinya、Kobayashi Kentaro、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki、Tezuka Yasuhisa、Adachi Jun-ichi、Onodera Yohei、Kohara Shinji、Tajiri Hiroo、Chokkalingam Anand、Wakihara Toru
  • Journal Title: Microporous and Mesoporous Materials Volume: 359 Pages: 112662-112662
  • DOI: 10.1016/j.micromeso.2023.112662
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure determination in a new type of amorphous molecular solids with different nonlinear optical properties: a comparative structural analysis (2023)
  • Author(s): Link Vasco J、Stellhorn J R、Klee B D、Paulus B、Belz J、Haust J、Hosokawa S、Hayakawa S、Volz K、Rojas Leon I、Christmann J、Dehnen S、Pilgrim W-C
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 35 Issue: 38 Pages: 384001-384001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/acda06
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Collective modes in molten CsCl, CuCl and AgI observed by inelastic x-ray scattering (2023)
  • Author(s): Inui Masanori、Kajihara Yukio、Hosokawa Shinya、Matsuda Kazuhiro、Tsutsui Satoshi、Baron Alfred Q.R.
  • Journal Title: Journal of Molecular Liquids Volume: 390 Pages: 123019-123019
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2023.123019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A possible origin of the very fast sound in terahertz region in liquid benzene (2023)
  • Author(s): Hosokawa Shinya、Yoshida Koji
  • Journal Title: Journal of Molecular Liquids Volume: 390 Pages: 123063-123063
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2023.123063
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Changes in atomic, electronic, and dynamic structures on a Gd65Co35 glass by temperature cycling rejuvenation (2023)
  • Author(s): S. Hosokawa
  • Organizer: 788th WE-Heraeus-Seminar ‘Beyond Imperfections: New Structure-Property Relationships in Ceramics and Glasses’
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural study on ZnFe2O4 by x-ray fluorescence holography (2023)
  • Author(s): S. Hosokawa, N. Happo, T. Matsushita
  • Organizer: European Materials Research Society 2023 Spring Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Changes in electronic structures on a Gd65Co35 glass by temperature cycling rejuvenati (2023)
  • Author(s): S. Hosokawa
  • Organizer: International Conference on Processing & Manufacturing of advanced Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Improved data analysis for molecular dynamics in liquid benzene (2023)
  • Author(s): S. Hosokawa
  • Organizer: 38th International Conference on Solution Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Changes in microscopic dynamics in Gd65Co35 metallic glasses by cryogenic rejuvenation (2023)
  • Author(s): S. Hosokawa
  • Organizer: 9th International Discussion Meeting on Relaxation in Complex Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Changes in atomic structures on a Gd65TM35 glass by cryogenic rejuvenation (2023)
  • Author(s): S. Hosokawa
  • Organizer: 8(+1)th Reverse Monte Carlo Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Valence-selective three-dimensional atomic images of Fe3O4 magnetite by x-ray fluorescence holography (2023)
  • Author(s): S. Hosokawa
  • Organizer: International conference on complex orders in condensed matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Changes in atomic and electronic structures in a Gd65Co35 metallic glass by cryogenic rejuvenation (2023)
  • Author(s): S. Hosokawa
  • Organizer: The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 放射光を用いた機能性ゼオライトの原子配列、電子状態そしてダイナミクスの研究 (2023)
  • Author(s): 細川伸也
  • Organizer: 科研費・学術変革領域研究(A)「超秩序構造科学」第2期公募研究キックオフミーティング
• [Presentation] 抗菌性を持つAgゼオライトの構造と電子状態 (2023)
  • Author(s): 細川伸也
  • Organizer: 日本セラミックス協会第36回秋季シンポジウム
• [Presentation] 放射光を用いた機能性ゼオライトの原子配列、電子状態そしてダイナミクスの研究 (2023)
  • Author(s): 細川伸也
  • Organizer: 科研費・学術変革領域研究(A)「超秩序構造科学」第6回成果報告会
• [Remarks] WELCOME 量子ビーム3D活性サイト科学研究室
  • URL: http://www.sci.kumamoto-u.ac.jp/physics/SR/index.html