2021 Fiscal Year Annual Research 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 / 量子化学計算 / イミダゾール / PVPA / コハク酸 / プロトン移動 / 分子運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高プロトン伝導性を示すイミダゾール(Im)分子を取り上げ、Im分子と酸性分子から成る高分子複合体および有機結晶プロトン伝導物質中のプロトン伝導機構の解明を目指した。
ポリビニルホスホン酸(PVPA)とImの複合体(PVPA-xIm)中のプロトン伝導機構を考察するため、分子動力学計算によりImの運動の温度変化を調べ、運動の活性化エネルギーからPVPA-xIm中のImの運動性を議論した。Imの分子回転に伴う内部運動の活性化エネルギーが並進運動の活性化エネルギーより低いことから、PVPA-xIm中ではプロトン伝導はVehicle型よりもGrotthuss型の方が優位に起こることが示唆された。また、PVPA-xIm中のImの内部運動には異方性が表れ、Im単体中の内部運動とは異なることを明らかにし、これまでに固体NMR測定により得られていた知見を理論計算の立場からも支持する結果を与えることができた。
また、コハク酸イミダゾリウム(Im-Suc)有機結晶中のプロトン伝導機構を考察するため、量子化学計算による水素結合構造解析およびポテンシャルエネルギー計算によるプロトン伝導中における水素結合構造、プロトン移動、分子運動の変化について調べた。実験により得られた赤外分光スペクトルの結果とIm-Sucの局所構造モデルによるスペクトルシミュレーションによる結果を比較することにより、Im-Suc中のIm周りの水素結合構造を特定することができた。計算により得られたポテンシャルエネルギーから、プロトン伝導経路中では、ImとSuc間の分子間プロトン移動とImの面内の回転運動のカップリングにより効率的にプロトン伝導が起こりうることがエネルギーの観点から明らかにすることができた。また、Im間のプロトン輸送過程における律速は、ImとSuc間のプロトン移動過程であることがわかった。
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