2023 Fiscal Year Annual Research Report
First-principles design of hydrogen energy materials from quantum modeling of electrons and nuclei
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21H01603
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
君塚 肇 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60467511)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志賀 基之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (40370407)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 水素吸蔵・透過 / 量子効果 / 自由エネルギー地形 / 第一原理経路積分解析 / レアイベント解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素をエネルギー媒体として利用するための材料技術を確立するには，その根本要素である「材料中における水素原子の振る舞い」を原理原則から理解し，材料設計に反映させることが重要である．本研究では申請者らが構築してきた量子論的モデリング手法を発展させることで，計算負荷を大幅に抑えながら，量子効果に由来する水素の特異な挙動を予測的に定量評価できる新規解析手法を構築する．これにより，水素エネルギー材料中の水素の反応・移動過程の自由エネルギー地形の系統的解析を実施し，水素の存在状態ならびに入出反応・移動過程のキネティクスの解明に役立てるとともに，水素透過・吸蔵性能の理論予測モデルを構築することを目指す．本年度は，以下に挙げる課題に取り組み成果を得た．
(1)[水素エネルギー材料に対する高精度・高効率な量子論的モデリング手法の構築] 機械学習ポテンシャル活用した準古典ダイナミクスシミュレーションにより，水素透過膜材料の基材として重要なPdを対象に、Pd中水素の非弾性散乱スペクトルを評価することに成功した．
(2)[水素エネルギー材料中の水素の反応・移動過程のキネティクスの解明] V中の水素同位体の格子拡散および空孔へのトラップに関する自由エネルギー地形を評価するとともに，これらの情報を活用した動的モンテカルロ解析により，水素濃度と空孔濃度に依存した水素拡散係数のアレニウスプロットを予測することに成功した。
(3)[第一原理データに立脚した水素透過・吸蔵性能の予測モデルの構築] 水素透過・吸蔵材料の典型系である第5族金属を題材に，水素透過・吸蔵特性を記述するための数理モデルの構築と第一原理データの整備を進めた．加えて，気体状態における水素の化学ポテンシャルをモデル化することで，温度・水素圧に依存した水素溶解特性を評価した．
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| Research Progress Status |
令和5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5年度が最終年度であるため、記入しない。
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