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2016 Fiscal Year Research-status Report

確率論的手法による固体酸化物電解質膜におけるプロトンの量子ダイナミクスの解明

Research Project

Project/Area Number 16K18032
Research InstitutionUniversity of the Ryukyus

Principal Investigator

永島 浩樹  琉球大学, 工学部, 助教 (00759144)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords固体酸化物 / プロトン伝導 / 量子効果 / エネルギー障壁
Outline of Annual Research Achievements

固体酸化物電解質内におけるプロトン伝導に対する量子効果の影響を明らかにするために、昨年度は研究計画に基づき、BaZrO3電解質膜内のプロトン伝導に対する量子効果の影響を調べた。具体的にはふたつの伝導経路について解析を行い、Nudged Elastic Band (NEB) 法により最小エネルギー経路を特定した。この解析よりプロトンの量子効果を考慮することで、イオン間の相互作用が弱くなることが明らかとなった。しかし量子効果によるポテンシャル障壁の高さの変化は、各経路により異なることが分かった。つまり酸素イオン周りの回転移動に関しては、量子効果を考慮することでポテンシャル障壁が高くなり、酸素イオン間の水素結合の組み替えによる移動におけるポテンシャル障壁は低くなることが分かった。このような各伝導経路において量子効果の影響が異なるのは、各経路上においてプロトンの波動関数の広がり方が異なるからである。つまり、酸素イオン周りの回転移動による経路上では、最小エネルギーの位置よりも障壁の最大値付近で波動関数が広がりやすいため、障壁の最大値付近でポテンシャルエネルギーが小さくなり、最小エネルギーの位置を基準とした場合ポテンシャル障壁は高くなる。一方、酸素イオン間の水素結合の組み替えによる移動による経路上では、最小エネルギーの位置付近で最も波動関数が広がりやすいため、最小エネルギーの位置付近でポテンシャルエネルギーが小さくなり、最小エネルギーの位置を基準とした場合ポテンシャル障壁は低くなることが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

NEB法を用いた解析では、各レプリカにおける力とポテンシャルエネルギーの収束計算が必要となるが、量子効果を考慮した場合、力とポテンシャルエネルギーの揺らぎが大きくなるため、従来の計算で用いていた収束判定条件では計算が収束しないという問題が発生した。古典の場合と同程度の計算精度で解析を行うためには、量子効果を考慮した場合の力とポテンシャルエネルギーの計算のサンプリング数を増加させるしか解決法がなかったため、当初の予定よりサンプリング数を約10倍にして解析を行った。そのため、当初の予定では今年度中に固体酸化物中の構成を変化させた解析を行い、各構成におけるポテンシャル障壁を算出する予定であったが、まだ構成を変化させた場合の解析を終えていないため研究計画よりも若干遅れている。

Strategy for Future Research Activity

量子効果を考慮した場合、力とポテンシャルエネルギーの揺らぎが大きくなるため、当初の予定よりもサンプリング数を約10倍にして解析を行っている。しかしその分計算時間がかかってしまうため、まずは構築したプログラムの高速化図る。改良したプログラムを用いて固体酸化物中の構成を変化させた場合の解析を行い、各構成におけるポテンシャル障壁を算出する。算出したポテンシャル障壁より移動頻度を算出し古典の場合と比較することで、プロトン伝導に与える量子効果の影響について考察を行う。さらに、算出したポテンシャル障壁と移動頻度を用いて、動的モンテカルロ(KMC)法をベースにプロトンの量子性を考慮した量子分子シミュレータを構築する。さらに、導出したポテンシャル障壁とプロトンの波動関数より透過率を算出し付加することで、量子トンネル効果を再現する。構築した量子分子シミュレータを用いて固体酸化物電解質膜中の巨視的なプロトン伝導現象に与える量子性の影響とそのメカニズムを明らかにする。解析は幅広い温度条件と様々なドーパント、空孔、プロトンの割合において行い、拡散係数を算出する。この結果を古典的な移動頻度とポテンシャル障壁の場合と比較することで、量子性によるポテンシャル障壁の変化の影響と量子トンネル効果によるプロトン伝導メカニズムを明らかにする。

Causes of Carryover

大学院生への謝金として計上していた予算があったが、本テーマを担当する学生が配属されなかったため、その分の差額が生じた。さらに計算機用のメモリを当初購入予定であったが、購入予定のメモリがすでに販売しておらず、他の代替品を探している状況であるためその分の差額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

差額として生じた謝金は、本年度に配属される学生に支払うか、もし配属されなかった場合は、購入した計算機を増強するためのパーツを購入する代金として使用する。さらに当初購入予定であったメモリの代替品の代金として使用する。

  • Research Products

    (9 results)

All 2017 2016

All Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 1 results)

  • [Presentation] An Evaluation of the potential barrier for hydrogen diffusion in metal with quantum effect using molecular simulation2017

    • Author(s)
      Shohei Ikawa, Hiroki Nagashima, Shin-ichi Tsuda, and Takashi Tokumasu
    • Organizer
      The 6th International Symposium on Micro and Nano Technology
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2017-03-19 – 2017-03-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A study of the quantum effect of the potential barrier for the hydrogen diffusion in metal using molecular simulation2016

    • Author(s)
      Shohei Ikawa, Hiroki Nagashima, Shin-ichi Tsuda, and Takashi Tokumasu
    • Organizer
      International Symposium on Micro-Nano Science and Technology 2016
    • Place of Presentation
      The University of Tokyo(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-12-16 – 2016-12-18
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Quantum Effect of Proton on its Diffusion Path in Solid Oxide Membrane2016

    • Author(s)
      Hiroki Nagashima and Takashi Tokumasu
    • Organizer
      International Symposium on Micro-Nano Science and Technology 2016
    • Place of Presentation
      The University of Tokyo(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-12-16 – 2016-12-18
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 密度汎関数理論による液体水素の量子性が気泡核生成に及ぼす影響の評価2016

    • Author(s)
      安井大貴、永島浩樹、徳増崇、渡邉聡、津田伸一
    • Organizer
      キャビテーションに関するシンポジウム(第18回)
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2016-12-08 – 2016-12-09
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An Investigation of the Potential barrier for Hydrogen Diffusion in Iron by Molecular Simulation with Quantum Effect2016

    • Author(s)
      Shohei Ikawa, Hiroki Nagashima, Shin-ichi Tsuda, and Takashi Tokumasu
    • Organizer
      the 4th International Forum on Heat Transfer
    • Place of Presentation
      Sendai International Center(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-02 – 2016-11-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Calculation of Diffusion Coefficient in Confined Fluid2016

    • Author(s)
      Hiroki Nagashima and Masahiro Nishigami
    • Organizer
      13th International Conference on Flow Dynamics
    • Place of Presentation
      Sendai International Center(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-10-10 – 2016-10-12
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Exploring the Performance of Dual-Phase Oxygen Transport Membranes for Carbon Capture Purposes2016

    • Author(s)
      Ryan Falkenstein-Smith, Matthew Rushby, Hiroki Nagashima, Takashi Tokumasu, and Jeongmin Ahn
    • Organizer
      13th International Conference on Flow Dynamics
    • Place of Presentation
      Sendai International Center(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-10-10 – 2016-10-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analysis of Transport Phenomena of Oxygen Ion in Membrane of Solid Oxide Fuel Cell2016

    • Author(s)
      Hiroki Nagashima, Ryan Falkenstein-Smith,Takashi Tokumasu, and Jeongmin Ahn
    • Organizer
      IFS Collaborative Research Forum
    • Place of Presentation
      Sendai International Center(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-10-10 – 2016-10-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An analysis of the quantum effect of hydrogen on potential barrier for hydrogen diffusion in iron by molecular simulation2016

    • Author(s)
      Shohei Ikawa, Hiroki Nagashima, Shin-ichi Tsuda, and Takashi Tokumasu
    • Organizer
      15th International Symposium on Hydrogen-Metal Systems
    • Place of Presentation
      Interlaken, Switzerlan
    • Year and Date
      2016-08-07 – 2016-08-12
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-01-16  

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