2014 Fiscal Year Annual Research Report
内殻分極を考慮したモデルポテンシャル法の開発による水素吸蔵分子材料の理論設計
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13J10731
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| Research Institution | Ochanomizu University |
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Principal Investigator |
松田 彩 お茶の水女子大学, 人間文化創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | Pd/Pt 合金クラスター / 水素吸蔵合金 / 量子化学計算 / 電子密度分布 / 相対論効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題においては、水素吸蔵特性を示す金属ナノクラスターと水素原子の相互作用解析を量子化学計算によっておこない、水素吸蔵材料の設計指針を理論的な観点から得ることを目的としている。
従来実験からは、Pd/Pt 合金ナノ粒子の水素吸蔵特性は Pt 混成比によって変化し、Pt 組成比 8%、50% でそれぞれ 0.40、0.20 H/M であることが報告されている。この結果は Pt の組成比によって水素吸蔵特性が調整されることを示す。本年度は、電子状態と水素吸蔵特性の関係を明らかにするため、Pd/Pt 合金ナノクラスターの電子状態解析をおこなったのでその結果を報告する。
立方八面体の Pd48Pt7（Pt 13%）、Pd25Pt30（Pt 54%）をモデルとして、PBE レベルの密度汎関数計算を行った。従来、水素吸蔵特性には、d バンドの空き（d ホール）と相関があると報告されていた為、各クラスターの状態密度（DOS）解析を行った。結果、クラスター間で d ホールに大きな違いは見られず、水素吸蔵特性は d ホールによって決定づけられないことが示された。そこで、Pt 組成比の違いによる水素吸蔵量の違いの起源を探る為に、空間的な電子分布を解析した。クラスター内の水素原子の安定性の違いは、「電子密度分布の違いによって生じる交換反発の大きさの違い」から説明することができる。各クラスターの Electron Localization Function（ELF）を３次元的に可視化した図より Pd25Pt30 の電子対分布がより広がっていることが明らかになった。この広がりは Pt 原子の 5d 軌道の相対論的膨張による。本結果は水素原子と Pd25Pt30 の交換反発が Pd48Pt7 より大きいことを示唆する。Pt 組成比の違いによって水素原子の安定性が調整されることを示唆する結果である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成26年度は、申請時に第三年度の課題として設定していた Pd/Pt 合金ナノ粒子の電子状態計算をおこない、電子状態と水素吸蔵特性の相関について更なる知見を得ようと試みた。Pt 組成比による電子状態変化と水素吸蔵特性の関係を明らかにすることは水素吸蔵合金の理論設計をする上で重要である。本年度は、(1) 水素吸蔵特性が d-バンドの空きだけで説明することができないこと (2) Pt 組成比によってクラスターの電子密度分布が調整されることを明らかにした。これらは、水素吸蔵材料を電子状態の情報を用いて理論設計する際の知見の１つになると考えられる。尚、計算負荷軽減を可能にする新たな相対論的量子化学計算法：CP－MCP 法のプログラム実装はまだ完了しておらず、次年度の完了を目指す。合金クラスターを用いた解析結果より、本研究は「おおむね順調に進展している」と判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
３年目は、Pd/Pt 合金ナノクラスターに加え、結晶面の違いによる水素吸蔵特性の違いに着目して水素吸蔵特性と電子状態および構造の関係に対してさらなる知見を得たい。また、原子数を増やしたモデルを扱うために理論式の導出が完了している CP-MCP 法のプログラム実装の完了を目指す。実装が完了した際は、分光学定数が既知の金属水素化物 PdH・PtH の計算により検証する。電子基底状態に加え励起状態についても CP-MCP 法による計算を実施、実測値と比較することで、その精度検証をおこなう。これまで得た知見と計算精度と計算効率の両面で優れたプログラムの実装をもって、水素吸蔵材料の理論設計の推進力となることを志向する。
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Research Products
(9 results)
