2020 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical design of highly ion conductive membranes for alkaline fuel cells using reactive molecular dynamics simulations
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19K14882
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
馬渕 拓哉 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (10795610)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、ホッピング現象を考慮した反応性MDシミュレータを用いて電解質膜内におけるアニオン輸送メカニズムを解明することである。この目的は、(1)ホッピング現象を考慮したアニオン輸送シミュレータの構築、(2)アニオン伝導特性を支配する水チャンネル形状特性の解明、(3)分子構造制御による高アニオン伝導性電解質膜の理論設計指針の提案、の３つのサブテーマに集約される。電解質膜内ではアニオンは水分子と結合して存在しており、このアニオンが単体で移動するビークル機構および水クラスターのネットワークを媒介としてアニオンがホッピングし，OH-が見かけ上移動するホッピング機構の2種類の輸送機構が提案されている。本研究ではホッピング現象を考慮するために，Empirical Valence Bond (EVB)法を基に改良を加えた独自の分子間相互作用のモデル関数を確立し，従来は困難とされてきたホッピング現象をMD計算で扱うことを可能にした。さらに、同シミュレータを電解質膜モデルに導入し、ホッピング機構と電解質膜内部の数nm程度の大きさの水クラスター構造を同時に考慮した電解質膜内部での物質移動現象を解析し、これまで明らかにされてこなかったホッピング現象がアニオン輸送に与える影響を明確にした。また、同シミュレータを用いてアニオン輸送特性に対する水クラスター形状の影響にについて評価を行い、いずれのクラスターサイズにおいても，ランダム構造のNafion膜における拡散係数よりも高いこと、イオン輸送に最適な半径が存在することが明らかとなった。さらに、高分子の分子構造に対するアニオン輸送特性への影響についても解析を行った結果、シリンダー形状の場合と比較して同程度のチャネルサイズにもかかわらず拡散係数が小さいことから、水チャネルの連結性が大きく影響していることが明らかとなった。
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Research Products
(2 results)
