2014 Fiscal Year Research-status Report
量子・分子論に基づいたナノ流動構造制御による高耐劣化性高分子電解質膜の理論設計
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25630044
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
徳増 崇 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (10312662)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 分子流体工学 / 燃料電池 / 劣化 / 分子動力学 / 輸送現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では, まず高分子電解質膜を構成するNafion分子の基本要素について量子化学計算を行い, 原子の電荷および最安定構造の情報を得た. 次にこの情報を元にNafionの分子モデルを構築した. Nafion分子は無極性部7個に対し極性部を1つ繰り返す組み合わせを15回繰り返して1つの分子とした. この分子を計算系に25本配置し, さらにその中に水分子とオキソニウムイオンを混入して, 高分子電解質膜内部における水の構造を解析するシミュレータを構築した. オキソニウムイオンの数は系の電気的中性を保つために常に325個とし, 水分子の数は含水率により変化させた. 劣化種であるOHラジカルの移動にはVehicle機構だけでなくGrotthus機構をも考慮し, その機構はEmpirical Valence Bond(EVB)法を用いて取り扱った. また, そのポテンシャルは密度汎関数理論(DFT)の計算結果を再現できるように調整した. このシミュレータを用いて, まず水のクラスター構造を静的構造因子を用いて評価した. その結果, 本研究で用いたモデルはGebelの予想した水クラスター構造の周期サイズをよく表せており, モデルの妥当性が検証された. シミュレータを用いて, 平均二乗変位を求めることにより水, プロトンおよびOHラジカルの拡散係数を評価し, その含水率依存性を解析した. その結果, 水およびプロトンの拡散係数の含水率依存性は実験結果と概ね一致し, 含水率が増加するにつれて拡散係数が上昇することが確認された. しかしながら, OHラジカルの拡散係数の急激な上昇は観測されなかった. これはプロトンの移動に伴うエネルギー障壁に比べて, OHラジカルの移動に伴うエネルギー障壁が極めて大きいため, Grotthusメカニズムの影響が非常に小さいためと考えられる.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成26年度は、OHラジカルのGrotthusメカニズムを組み込んだシミュレータを作成し、このシミュレータを用いて水、プロトン、OHラジカルの計算を行うことが出来た。また、水やプロトンに関しては実験値と比較することにより十分に実際の値を再現できるシミュレータの構築を行えたと考えている。また、いくつかのパラメータ(含水率、温度、圧力)などを変更してこれら分子の輸送現象を解析し、物質の輸送特性に支配的な要因(パラメータの感度解析)を行うことが出来た。しかしながら、今年度までの研究ではOHラジカルの拡散係数が非常に小さく、Grotthus機構によるOHラジカルの移動が再現できなかった。そのため、次年度も補助事業期間を延長して、継続して研究を行うこととしたため、達成度としてはやや遅れていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
OHラジカルの拡散係数が低い原因としては、密度汎関数理論によってHラジカルホッピング時のエネルギー障壁を求める際に、本来であれば様々な配向を有してホッピングする系を、分子がある一定の配向の状態のみ考慮して計算を行っているためだと考えている。今後いくつかの配向を考慮してポテンシャルを再構築し、その情報を元に分子動力学計算を行ってOHラジカルの拡散係数を評価する予定である。
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| Causes of Carryover |
今年度構築したOHラジカルホッピングモデルは、そのエネルギー障壁が本来より大きく見積もられている可能性があり、そのため実際の分子動力学計算においてGrotthusメカニズムをうまく発現させることが出来なかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
研究費の1部を次年度に繰り越し、新たに構築したOHラジカルホッピングモデルを用いて再計算を行うための計算機使用料に使用し、また得られた成果を国内外の学会で発表する旅費や論文に投稿する投稿料に使用する。
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Research Products
(9 results)
