2019 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration and application of quantum modeling for next-generation design of hydrogen energy materials
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18H01693
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
君塚 肇 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (60467511)
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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)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 水素吸蔵・透過 / 量子効果 / 自由エネルギー地形 / 第一原理経路積分解析 / レアイベント解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，プロトニクス分野の高度化のための研究開発に貢献するため，原子核と電子の双方の量子効果に由来する水素の特異な挙動を予測的かつ定量的に評価するための新規の量子論的モデリング法を構築する．これにより，合金系および錯体化合物系等の水素エネルギー材料の典型モデルにおける水素の吸着，拡散，捕捉，水素化物形成等の反応過程のキネティクスに関する詳細を獲得し，水素特有の量子的振る舞いが当該材料に与える影響を明確にする．本年度は，以下に挙げる課題に取り組み成果を得た．
(a) 第一原理経路積分レアイベント解析法の構築
昨年度構築した第一原理経路積分レアイベント解析法のプロトタイプに対して改良を加え，経路積分分子動力学計算とstring法の組み合わせにより量子ゆらぎと熱ゆらぎの双方を取り入れることができる経路探索手法の構築を進めた．更に，安定・準安定状態から近傍の遷移状態を探索するための最緩勾配上昇法，ならびに量子ダイナミクスを取り扱うための近似手法である量子熱浴法に関するシステム実装を進めた．これにより，種々の材料中の多様な水素の反応・移動過程に関する自由エネルギー地形を評価するための枠組みの適用範囲を拡大させた．
(b) 水素エネルギー材料中の水素の反応・移動過程のキネティクスの解明
構築した手法を活用して，水素エネルギー材料における主要なモデル系の材料表面・界面における水素の吸着・固溶過程およびバルク中への侵入・拡散過程における自由エネルギー地形を第一原理的に評価し，水素吸蔵・透過性能を律速する因子の詳細を解析した．本年度は，水素吸蔵・透過材料のモデル系として重要なパラジウム水素化物を対象に，これまでその物理的描像の詳細が明らかにされていなかったパラジウム中の水素同位体拡散について定量的に評価するとともに，当該系における水素の存在状態と拡散メカニズムを解明した．
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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
実際の解析上重要となるレアイベント解析の枠組みを首尾よく構築することができ，その応用として，これまで未解明であった面心立方金属中の水素同位体拡散の古典・量子描像の遷移メカニズムを明らかにすることができたことから，計画通り順調に進展していると考える．また，研究を遂行するにあたり，「第一原理経路積分解析用並列計算機増設モジュール」（大阪大学）を導入し，研究基盤を整備した．
水素挙動のレアイベント解析に際して，研究分担者である志賀を含む関連分野の研究者間で研究会（2019年12月，2019年1月）を実施し，今後展開を進めるべき手法に関して計算分子科学の立場から議論・検討した．また，国内の関連学協会において積極的に発表・議論することで情報発信を行うなど，研究成果の広報活動を展開した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度はこれまでに構築したモデリング手法を有機的に活用することで，実際的な課題における水素の反応・移動過程のキネティクスの評価を進めてきた．次年度はこの流れを更に発展させ，以下に挙げる課題に取り組むことを予定している．
(a)第一原理経路積分レアイベント解析法の改良
これまで整備してきた第一原理経路積分レアイベント解析法に関して，材料内水素の協調的運動が支配的となる場合や比較的複雑な反応素過程を有する場合に対しても適用範囲を広げるために，状態サンプリング法の高度化および効率化に引き続き取り組む．具体的には，水素を含む材料の量子ダイナミクスを近似的に記述する量子熱浴法の本格的な導入，および量子ゆらぎと熱ゆらぎの双方を考慮した反応経路探索手法や拘束下サンプリングにおける平均力に基づいた断熱自由エネルギーダイナミクス法の効率化と動作検証を実施する．
(b)水素エネルギー材料中の水素の反応・移動過程のキネティクスの解明
これまでに構築した手法を活用して，水素吸蔵・透過材料および触媒材料のプロトタイプとして注目される金属・合金系を対象に，水素（およびその同位体）の溶解・拡散の基本メカニズムと速度論を明らかにする．また，格子欠陥が水素の溶解・拡散性に与える影響を明らかにするため，金属の表面や粒界における水素の振る舞いの解明に取り組む．これらを通じて，水素吸着・拡散・脱離過程において量子効果が顕在化する機構・条件等に関して普遍的な理解を得ることを目指す．
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