2023 Fiscal Year Annual Research Report
Computational approach to catalyst heterogeneity based on non-empirical catalyst nanostructure exploration
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22H01865
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
谷池 俊明 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (50447687)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 構造探索 / 遺伝的アルゴリズム / Ziegler-Natta触媒 / 機械学習ポテンシャル / 構造分布 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実用的な固体触媒の構造や電子状態はナノスケールで不均一であるため、従来の単一的な構造モデルではその本質を掴みきれない。本研究の目的は、遺伝的アルゴリズムによる広域探索とDFT計算による局所最適化を組み合わせた独自の非経験的構造探索法を駆使し、Ziegler-Natta触媒ナノ構造の分布、及び、これがもたらすポリマーの一次構造分布の起源を解明することである。当該年度の実施内容を以下に述べる。
プロピレン重合用Ziegler-Natta触媒は、活性成分のTiCl4と、内部ドナー（ID）と呼ばれるルイス塩基性改質剤によって修飾されたMgCl2ナノプレートによって構成される。IDは触媒調製時にMgCl2の構造を再構成することで立体特異的な活性構造を生成すると信じられてきたが、構造再構成を考慮したシミュレーションは前例が無かった。
本研究では前年度に開発したプログラムを用い、19MgCl2, 4TiCl4, 5IDから成る三元系の構造探索を世界で初めて実施した。結果、ID存在下で生成するMgCl2は、ID非存在下で生成するそれとは表面構造が全く異なることがわかった。すなわち、IDはキレート吸着を通して配位飽和度の高いMg2+エッジを優先的に露出し、隣接した{110}テラスに吸着したTiCl4は須らく特異的な立体環境に置かれる。これは、IDによる立体特異性の劇的な向上を初めて完全に説明するものである。構造の多様性は、IDにフタル酸エステルを用いた時 >> 1,3-ジエーテルを用いた時であった。これは実験的に知られる分子量分布の傾向に合致し、赤外吸光分光で観測されるフタル酸エステルのC=O振動の波数の幅も説明した。
当該年度の研究成果によって、本研究が提唱する「触媒ナノ構造の非経験的構造探索を基盤とする不均一性の計算触媒化学」が、触媒の構造・機能解明において不可欠であることが実証された。
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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
当該年度の当初目標は、i) ナノ構造不均一性のモデリング、ii) ポリマー一次構造分布のモデリング、iii) 不均一性の計測と実験検証であった。目標1,3については計画通りに研究を行った。目標2についても概ね計画通りに研究を行ったが、MgCl2の規模を大きくする必要性が新たに判明し、そのために機械学習ポテンシャルの構築など計算の高速化を図る必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
三元系（TiCl4/ドナー/MgCl2）、及び、重合シミュレーションに関して機械学習ポテンシャルの構築を行い、構造の不均一性が重合性能に与える影響を解明する。また、実験とシミュレーションの比較を赤外吸光分光以外の分析法に拡張子、触媒構造の不均一性の計測手段を提案する。
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