2022 Fiscal Year Research-status Report
Real-time reaction dynamics of micro-solvated clusters by direct ab initio MD method
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21K04973
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
田地川 浩人 北海道大学, 工学研究院, 助教 (10207045)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 光誘起反応 / 光イオン化反応 / 理論反応設計 / 電子捕捉反応 / DNA損傷 / 理論分子設計 / 光劣化 / プロトン移動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
溶媒は分子の化学反応速度に大きな影響を与える。微視的溶媒和クラスターは、少数の溶媒分子によって取り囲まれた分子からなるクラスターであり、溶質の周りの溶媒を部分的に切り出したナノスケールの溶液といえる。本研究課題では、ダイレクト・アブイニシオ分子動力学（AIMD）法を、微視的溶媒和クラスター内での反応ダイナミクスの理論解明に応用した。特に、光照射後の反応を実時間で追尾することにより、微視的溶媒和の効果を理論的に予測した。本年度は、以下の２テーマについて詳細な計算を行った。
(1) 過酸化水素(H2O2)の光化学反応への微視的溶媒和の効果：H2O2は、安全かつ効率の良い水素キャリアである。H2O2を触媒と反応させることにより、容易にH2を取り出すことが出来る。本研究では、H2O2の光化学反応（イオン化反応）への微視的溶媒和の効果を、ダイレクトAIMD法により研究した。研究対象として、１－６個の水分子に溶媒和されたH2O2を用いた。その結果、イオン化後、水素結合鎖に沿って極めて早いプロトン移動が起こることが分かった。この現象は、酸化グラフェン電池中のプロトン移動のモデルとなることが示された。
(2) 安価なナトリウム(Na)を用いた水素の貯蔵機能を持つ分子デバイスの理論設計：クリーンなエネルギーである水素を効率よく貯蔵する分子素子を開発することは、近い将来のエネルギー問題を解決する上で重要である。水素貯蔵デバイスは、少数の水素分子が微視的溶媒和した分子素子に相当する。本研究では、グラフェン表面に吸着させたNaが、効率の良い水素貯蔵デバイスであることを理論的に明らかにした。また、Naの貯蔵効率は、リチウムよりも大きいことを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の当初の目標では、(1)ダイレクト・アブイニシオ分子動力学法を微視的溶媒和クラスター反応系へ拡張すること、および、(2)そのプログラムをテスト計算することの２つ課題が、2022年度の目標であった課題(1) 、および(2)は終了し、すでに、2023年度の目標である反応系への応用がスタートしている。特に、(a)「過酸化水素(H2O2)の光化学反応への微視的溶媒和の効果」について研究を行い、アメリカ化学会総合化学誌（ACS Omega）への公表を行った [Yamasaki and Tachikawa: Intracluster Reaction Dynamics of Ionized Micro-Hydrated Hydrogen Peroxide (H2O2): A Direct Ab Initio Molecular Dynamics Study, ACS Omega 2022, 7, 33866.] 。この研究により, 電池中のプロトン移動のモデルとなることが示された。
また、(b) 「安価なナトリウム(Na)を用いた水素の貯蔵機能を持つ分子デバイスの理論設計」の研究が順調に進行し、水素エネルギー関連科学誌（Hydrogen）への公表を行った：[H. Tachikawa et al. Hydrogen Storage Mechanism in Sodium-Based Graphene Nanoflakes: A Density Functional Theory Study, Hydrogen 2022, 3, 43.] 。 この研究により, 新規な水素貯蔵デバイスの理論開発が可能となった。
以上のことより,「研究の目的」の達成度として「当初の計画以上に進展している」と判断した.
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度の研究課題として,(1)「SN2反応ダイナミックスへの微視的溶媒和の効果」,および(2)「微視的溶媒和された一酸化窒素 (NO)の光反応の解明」を行う.テーマ１の求核的２分子置換反応（SN2反応）は,有機反応の中の基本反応一つである. しかしながら,その動的なメカニズムについて,ほとんどわかっていない. 特に微視的溶媒和の化学反応への動的効果（影響）についての情報は皆無に近い。本研究では、ダイレクト・アブイニシオ分子動力学法により,求核イオンによるSN2反応：SN2反応X- + CH3Cl (X=ハロゲン、および分子),および、その溶媒を含む反応X-(H2O)+CH3Clを研究する.解明する点は,「微視的溶媒和（水分子,および水クラスター）の存在は,反応ダイナミクスへどのような影響を及ぼすか. たとえば、反応速度が加速するか, 減速するか？（抑制効果）を明らかにし,新たな反応を理論的に予測する.
これまで、微視的溶媒和された一酸化窒素 (NO)が光反応により活性ラジカルになることを理論的に予測した.具体的には、水分子に微視的溶媒和されたNOが,光照射によって,活性ラジカル（HONO radical)になることを理論計算により明らかにした. 本年度は,この研究を発展させ,この活性ラジカルの反応性,および微視的溶媒和による安定化のメカニズムを解明する.さらに、一酸化炭素(CO)への拡張を行い、大気化学反応への微視的溶媒和の効果を一般化する。
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| Causes of Carryover |
2022度の未使用額は、計算機購入がDELL社の製品販売が遅れているため生じた。2023年度は、計算機発売後、すみやかに購入する予定である。
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