2020 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 | Nagoya University |
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Principal Investigator |
君塚 肇 名古屋大学, 工学研究科, 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 |
水素利用技術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量子論的モデリング法を構築した．これにより，合金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反応・移動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した．本年度は，以下に挙げる課題に取り組み成果を得た．
(1) 第一原理経路積分レアイベント解析法の構築・改良
これまでに構築した第一原理経路積分レアイベント解析法に関して，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取り組んだ．具体的には，系の量子ダイナミクスを近似的に記述する量子熱浴法を導入し，原子核の量子効果を考慮した金属結晶の基礎的な物理量（熱物性）および金属中水素の拡散係数を定量評価し，実験値との比較を通じて本手法の適用性を検証した．加えて，効率的サンプリングによる機械学習ポテンシャルの構築手法等に取り組み，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した．
(2) 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系を対象に，水素の溶解・拡散の基本メカニズムを明らかにした．これにより，実験データの不備・不足からこれまで合意が得られていなかった種々の金属中の水素拡散係数の理論的予測値を提供することに成功した．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，バナジウム粒界における水素の拡散・トラップ特性の定性評価に取り組んだ．これらを通じて，水素吸着・拡散の素過程において量子効果が顕在化する機構・条件を解明した．
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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