2021 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum chemical optimization of nano-particle constituent elements eliciting a self-extinction to the ignitible liquid metal and evaluation of its flowability
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19H02382
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
鈴木 愛 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (40463781)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三浦 隆治 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (00570897)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナトリウム / 水 / 遷移金属 / 水素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナトリウムは伝熱特性に優れた冷却材としての利点を有する一方で、化学的に活性である為、空気中の水蒸気との接触により急激な化学反応を生じる。アルカリ金属が水や水蒸気と接触して起こす爆発反応：Na+H2O → NaOH + 1/2H2によって水素ガスが発生する。この激しいナトリウム-水蒸気反応は、ナトリウムがチタンナノ粒子を包含する場合、その激しさが緩和される事が実証されている。しかし、ナトリウム-水蒸気反応は非常に速く複雑で危険をともなうため、発生した水素がどのような分子または原子の形態をとっているのか実測し難く、理論的観点からの解析が必要であった。
遷移金属チタンの有無によるナトリウム-水蒸気反応の差異を高速化量子分子動力学計算を用いて、その反応過程を解析した。
ナトリウム／チタン界面の電子状態は、ナトリウムは正、チタンは負に帯電しており、チタン表面に近接したナトリウム原子は強い正電荷を帯び、チタン表面から遠ざかるにつれ中性を帯びる分布をもつ事が明らかとなった。チタンが存在する場合に、この一様でない電子状態の分布をナトリウムがもつことがナトリウム-水蒸気反応を場所ごとに変容させている可能性がある。限られた原子数で行われた既往の第一原理計算によるナトリウムとチタン表面の界面近傍の電子状態計算結果と良好に一致した。チタンが無いナトリウムのみの表面に水分子が衝突する際は、水素原子側から入射し、いったん負に帯電した水素原子が水素化ナトリウムとして存在し、新たに入射してくる水分子の水素と水素分子を形成する際に、電子的に中性を帯びつつ気相上に飛散する事が明らかとなった。一方、チタンを含むナトリウム中では新しく生成される水素分子は僅かに負に帯電し、チタン表面近傍にとどまりながら勢いよく飛散しづらい挙動が見られ、この発生した水素の形態の差が激しい反応を抑止する要因であると考えられる。
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| Research Progress Status |
令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。
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