コンビナトリアル第一原理計算化学手法の開発と触媒設計への応用

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11450302
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 宮本 明 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50093076)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高見 誠一 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (40311550) ; 久保 百司 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (90241538)
• Keywords: コンビナトリアル計算化学 / 第一原理計算化学 / プログラム開発 / 触媒設計 / ハイブリッド化 / 粗視化第一原理分子動力学法 / メタノール合成触媒 / 燃料電池

Research Abstract

著者らは、コンビナトリアルケミストリーの概念を計算化学に取り入れたコンビナトリアル計算化学という新しいコンセプトを提唱している。このコンビナトリアル計算化学では、周期表のありとあらゆる元素の機能、特性を計算化学により予測することによって、新しい材料開発を推進しようとするものである。つまり、実験的にすでに明らかにされている機能や特性を計算化学を用いることによって、原子・分子レベルでの理解を深めるのではなく、計算化学を材料探索のための高速なスクリーニング手法として活用することを目的としている。
この方法論の実践には高速な計算手法の開発が必須である。昨年度は、従来の第一原理分子動力学法に比較し、約5000倍の高速計算を実現した粗視化第一原理分子動力学計算プログラムColorsの開発に成功した。本年度は、上記プログラムをさらに高速化するために触媒反応を支配する重要な部分のみを粗視化第一原理分子動力学法で計算し、その他の部分を古典分子動力学法で扱うハイブリッド化によって、さらに数千倍以上の高速計算を実現した。また本プログラムを様々な触媒系に応用した。
さらに、上記プログラムや従来の第一原理計算手法を活用することにより、メタノール合成触媒、Fischer-Tropsh合成触媒、燃料電池、NOx分解触媒など様々な触媒系に対して著者らの提唱するコンビナトリアル計算化学の有効性を示すことに成功した。特に、実験的には未だ明らかになっていない新触媒の提言にも成功した。

Research Products

• [Publications] A.Endou et al.: "Comparative Investigation on the Adsorption Properties of Precious Metal Clusters toward No : A Density Functional Study"The Journal of Physical Chemistry B. 104. 5110-5117 (2000)
• [Publications] K.Yajima et al.: "Combinatorial Computational Chemistry Approach to the Design of deNOx Catalysts"Applied Catalysis A. 194-195. 183-191 (2000)
• [Publications] A.Endou et al.: "Potential Energy Surface Dynamics of Pd/MgO(001) System as Investigated by Periodic Density Functional Calculations and Classical Molecular Dynamics Simulation"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 4255-4260 (2000)
• [Publications] N.Ohashi et al.: "Molecular Adsorption on Ultrafine Metal Particles Studied by Density Functional Calculation"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 4261-4265 (2000)
• [Publications] H.Zhou et al.: "Periodic Density Functional Study on Adsorption Properties of Organic Molecules on Clean Al(111) Surface"Applied Surface Science. 158. 38-42 (2000)
• [Publications] K.Yajima et al.: "Computer-Aided Design of Novel Heterogeneous Catalysts-A Combinatorial Computational Chemistry Approach"Studies in Surface Science and Catalysts. 130. 401-406 (2000)