2021 Fiscal Year Annual Research Report
先進的量子状態理論に基づく不均一系触媒および光機能システム系の研究開発
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20H02718
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| Research Institution | Okazaki Research Facilities, National Institutes of Natural Sciences |
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Principal Investigator |
江原 正博 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(岡崎共通研究施設), 計算科学研究センター, 教授 (80260149)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子状態理論 / 不均一系触媒 / 合金微粒子 / 光機能システム / カーボンナノチューブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，複雑・複合系の強相関電子状態を精密に記述する新しい基礎理論の開発を行い，表面量子状態が重要となる不均一系触媒の触媒作用や光機能システム系の物性発現の微視的メカニズムを解明し，その知見に基づいて不均一系触媒および光機能システム系の設計・制御に取り組んだ。2021年度は下記の研究を実施し，研究発表で示す研究成果を得た。
(1)合金微粒子の幾何構造や電子状態，触媒活性点，触媒サイクルに関する基礎研究を実施した。特に，Au-Pd合金クラスターによるベンジルアルコールからアルデヒドへの酸化反応の反応機構を明らかにし，反応のエネルギー・プロファイルを明らかにした。(2)燃料電池の負極には白金電極が用いられているが，酸素還元反応はPtをナノ粒子化することにより活性化される。ガラス状炭素に担持したPtサブナノクラスターが，汎用のPt/C電極よりも質量比活性が極めて高いことを見出した。グラフェン上のPtクラスター(Ptn, n=4-8)の安定構造を数種類提示し，XAFSスペクトルと比較することによって，Ptクラスターの吸着安定構造を決定した。さらに酸素還元反応のエネルギー図を計算し，過電圧（overpotential）を理論的に示した。(3)光学物性の測定・計算の逆問題に基づく独自の量子逆設計理論を発展させ，分子－ナノ粒子系に適用し，吸着分子の分子種・空間配置，入射場，さらにナノ粒子の金属種・金属形状を最適化することに取り組んだ。 (4)単層カーボンナノチューブ（SWCNT）の化学修飾による量子欠損の生成や近赤外光発光の波長制御に着目した研究を実験と協力して推進した。
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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
本研究課題で当初計画していた「不均一系触媒および光機能システム系」の研究を開始することができ，さらに基礎となる理論・方法の構築，プログラムの実装をすることができた。
(1)合金微粒子触媒の研究では，Au-Pd合金クラスターによるベンジルアルコールの部分酸化反応機構を解明し，実験結果を支持する反応エネルギー・プロファイルを明らかにした。(2)担持金属微粒子触媒の研究では， Ptサブナノクラスター(Ptn, n=3-9)が，燃料電池の負極で有効であり，汎用のPt/C電極よりも質量比活性が極めて高いことを見出し，実験・理論解析を実施した。XAFSスペクトルと比較することによって，Ptクラスターの吸着安定構造を決定した。さらに反応の活性点を部分状態密度から理論的に特定し，酸素還元反応の過電圧（overpotential）を理論的に明らかにした。(3)光物性の逆問題に基づく独自の量子逆設計理論を開発・実装し，応用することに成功した。具体的には，分子－ナノ粒子の表面プラズモン系の励起子の最適化に成功した。(4)修飾単層カーボンナノチューブ(SWCNT)の近赤外発光の理論解析に関する研究を実施した。これらの研究では先進的な研究を推進する実験・理論分野の国内外の研究者と共同研究を実施した。
以上のとおり，各研究項目について順調に進展しており，研究発表も十分であると考える。これらのことからおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は最終年度になるため，これまでの知見を基に研究を発展させるとともに，これまでの研究成果を論文発表する。主に下記の研究に取り組む。(1)合金微粒子の幾何構造や電子状態，触媒活性点，触媒サイクルに関する基礎研究を引き続き実施する。特に，Pt-Co, Pt-Tb合金系など燃料電池として重要となる合金微粒子の構造，酸素分子の結合活性化，酸素還元反応活性を検討する。(2)様々な担持微粒子触媒における量子効果・担体効果に関する理論解析を実施し，微粒子触媒開発に必要な知見を得る。特にAu/Fe2O3等のC-O結合ボリル化の触媒反応の理論解析に取り組む。(3)光学物性の量子化学計算の逆問題に基づく独自の量子逆設計理論をさらに発展させ，分子－金属ナノ粒子系の局在表面プラズモンの研究において出てきた課題に取り組む。この方法を適用し，吸着分子の分子種・空間配置，入射場，さらにはナノ粒子の金属種・金属形状を最適化することに取り組む。(4)単層カーボンナノチューブ（SWCNT）の化学修飾による量子欠損の生成や近赤外光発光の波長制御に着目した研究を，実験と協力して引き続き推進する。特にカイラリティの異なるSWCNTの光学特性の計測が実験で進展したため，光学特性と置換位置の相関について解析する。
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