2019 Fiscal Year Annual Research Report
High precision prediction of hydrogen function by advanced simulations
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
18H05519
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
常行 真司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90197749)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志賀 基之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (40370407)
濱田 幾太郎 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (80419465)
杉野 修 東京大学, 物性研究所, 教授 (90361659)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素 / ハイドロジェノミクス / 高次水素機能 / 第一原理計算 / データ同化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)データ同化において、エネルギーとペナルティ関数を足し合わせない新しい同時最適化手法を開発した。また領域内連携により、LiCB9H10 （A01班）、YOxHy（A02班）、AlxCayHz（A01班）の構造探索を行い、データ同化手法改良の方向性を明確化した。 (2)ファンデルワールス密度汎関数を用いて、メタノール合成反応中間体の一つである銅表面上のギ酸（HCOOH）単分子の吸着状態と反応機構を解明し、ファンデルワールス力の重要性を明らかにした。 (3)ロジウム(111)表面上のシクロヘキサン分子の吸着エネルギーに見られる逆同位体効果を説明した。 (4)種々のグラフェン端における白金原子上での吸着状態を系統的に調べ、特定の構造を持つグラフェン端での白金単原子が酸素還元反応に対して白金固体と同程度かより高い触媒能を示唆する結果を得た。 (5)TiH2の第一原理計算とボルツマン輸送方程式により、この系が水素量に応じてp型からn型へ転移すること、結晶格子の対称性がTiH2のキャリア輸送特性に重要であることを明らかにした。 (6)水の第一原理経路積分計算を実施し、原子核の量子効果が水分子の作る水素結合構造に与える影響を解明した。 (7) 生体分子の水溶液のなどの巨大系を扱うため、周期境界系におけるQM/MM 計算手法を新規開発した。また、溶液反応過程を追跡できる第一原理メタダイナミクス計算の高度化を行った。 (8)A０５－１と共同で、アモルファス氷のミューオン存在状態の計算、水の計算と中性子実験の比較を進めた。 (9) 白金上の水素の経路積分分子動力学計算により、被覆率が増すにつれて各吸着サイトのエネルギーが変化し、被覆率2/3の時に非局在性が特に強くなること、また被覆率が1に近づくと水素原子間の反発力により状態が局在化するという典型的な量子多体効果が表れることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
データ同化手法の高度化により、領域内実験グループが発見した新構造の構造解析が進み始めた。
またファンデールワールス相互作用を高精度で取り入れた密度汎関数理論や、原子核の量子効果を取り入れる経路積分第一原理分子動力学法など、基盤的な計算手法の整備が進み、領域内外の実験グループと連携しつつ、水素を含む様々な系の構造やダイナミクスのシミュレーションが行われた。これらにより多岐にわたる研究成果が上がり、12本の査読付き論文を公表している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究計画では、計算手法の高度化（ステージⅠ）、水素データ同化技術の本格利用と水素機能発現メカニズムの解明（ステージⅡ）、領域全体での多彩な高次水素機能の誘起に向けた理論予測（ステージⅢ）に順次取り組む。今後は、これまでに明らかになったデータ同化手法の課題を解決しつつ、領域内内外との連携を通してステージII 、III への取り組みをさらに推進する。
(1)本領域の実験グループが対象とする物質のうち、実験だけで構造決定できないものには、熱揺らぎの大きな系やサイト占有率が非整数の系が多い。データ同化により、そのような構造を決定する手法の開発と応用を進める。 (2) 経路積分法を用いて、これまで計算予測が困難だった基礎物性の一つである、酸解離定数の高精度計算手法を確立する。酸解離定数において、軽水と重水での違いや、温度・圧力での違いを理論的に解明する。 (3) アモルファス氷のミューオン存在状態の解明、水の計算と中性子実験の比較を継続する。 (4) ソフトウェアPIMDのさらなる高度化に取り組むとともに、チュートリアルなどを通じて普及活動を行う。領域内でシェアして様々な応用に繋げる。 (5) A04班と連携し、水素燃料電池のための水素貯蔵物質として注目を集めているギ酸の、銅表面上における吸着構造と脱水素化反応過程を明らかにする。また電極電位の効果を有効遮蔽媒質法により取り入れることで、電気化学の最も基礎的な反応である水素吸着および水素発生反応のダイナミクスを明らかにする。 (6)A03-2班と連携してヒドリド伝導の第一原理計算を行う。また、班内＋外部連携のもとで、金(111)界面上での水の電気分解を第一原理経路積分法で調べ、プロトン移動が関わる素過程の量子効果に対する理解を深める。 (7) その他、領域内連携により、水素の関与する化学反応のシミュレーションを進める。
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