2019 Fiscal Year Research-status Report
理論計算に基づく酸塩基複合体中のプロトン伝導機構の解明
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19K15524
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
堀 優太 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (40806915)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | プロトン伝導機構 / 分子動力学計算 / イミダゾール / PVPA / コハク酸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子動力学(MD)計算によりポリビニルホスホン酸(PVPA)とImの複合体(PVPA-xIm)中のImの水素結合構造と分子ダイナミクスを調べた。
Im間およびImとPVPA間の局所構造を反映した動径分布関数から、PVPA-xIm中では、PVPAとIm間で強い水素結合が形成されることがわかった。また、PVPA-xIm中では、Im単体中と同じ局所構造を持つImクラスターが形成されることが予想され、その割合は、Imの量(x)が大きくなるにつれて大きくなっていくことが示唆された。さらに、Imの拡散係数および回転の相関関数よりPVPA-xIm中のImの運動性を調べた。Imの分子軸に対する自己相関関数を調べ、指数関数によるフィッティングを行うことにより、内部運動の相関時間を求めた。PVPA-xIm中では、Im単体に比べ運動性が減少することがわかった。また、xの値が増加するにつれてImの運動性が増加するので、PVPA-xIm中では、Imの濃度(x)がImの運動をコントロールする重要な因子になり得ることが予想された。
量子化学計算により、コハク酸イミダゾリウム(Im-Suc)中のImの回転とプロトン移動に対するポテンシャルエネルギー曲面(PES)の構築を行った。PESから、Im-Suc中では、隣接するIm間にはSucを介した２段階のプロトン移動反応によってプロトンが輸送されることが明らかとなった。
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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
分子動力学計算により、ポリビニルホスホン酸（PVPA）とイミダゾール（Im）の複合体（PVPA-xIm)中のImの局所構造およびダイナミクスについて調べることができた。さらに、xの変化に対する局所構造とダイナミクスの変化を調べることにより、プロトン伝導性との関係を明らかにすることができた。これらの結果を学術誌(ACS Applied Polymer Materials, Vol. 2, pp1561-1568 (2020))に発表することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
MD計算により、PVPA-xIm中の温度変化によるImの運動の変化を調べ、活性化エネルギーからPVPA-xIm中のImの運動性を議論する。
Im-Sucにおいて、X線構造解析やIRスペクトルによる振動解析により得られた知見と量子化学計算による局所構造解析により、Im-Sucの水素結合構造を調べる。さらに、バンド計算を駆使することにより、結晶の安定性の議論を行う。量子化学計算によるポテンシャルエネルギー計算により、Im-Suc中のプロトン伝導経路を明らかにする。
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