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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Hydrogen dynamics and catalytic activity near inhomogeneous surface in metal nanoparticles

Publicly Offered Research

Project AreaHYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions
Project/Area Number 19H05062
Research InstitutionYokohama City University

Principal Investigator

石元 孝佳  横浜市立大学, 理学部, 准教授 (50543435)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Keywords水素ダイナミクス / 不均一構造 / ハイブリッド法 / 電子状態計算 / 触媒活性
Outline of Annual Research Achievements

Pd触媒によるアルケンの水素化反応は工業的に重要で、より高活性な触媒設計のためには、反応機構の詳細を理解することは不可欠であるが、電子レベルでの水素の振る舞いが正確に理解されているとは言い難い。そこで本研究では、Pdナノ粒子における高活性化・精密制御された触媒反応場を設計するためにPdナノ粒子中での水素ダイナミクスの詳細な理解に向けた新規計算手法の開発とPdナノ粒子上での水素化反応について大規模高精度電子状態計算を用いて解析した。まず、Pdナノ粒子という不均一反応場と水素の量子力学的振る舞いを高精度に記述する計算手法として“平面波局在混合基底電子状態計算手法(CPLB法)”の改良に取り組んだ。まず、CPLB法での解析的な構造最適化プログラムを実装した。また、CPLB法で用いる局在基底部分の電子状態計算に水素の量子力学的振る舞いを記述可能なnon-BO量子論を適用可能とした。特にPd表面に対する水素・重水素吸着および吸蔵における構造や吸着・吸蔵エネルギーの同位体効果の解析に開発手法であるCPLB法は有効であることを示すことが出来た。また、炭化水素のモデル構造としてCH4/CD4を取り上げ、Pd表面への吸着時における詳細な解析もCPLB法を用いて行った。計算の結果、CH4はCD4よりも吸着エネルギーが大きく、表面との距離も近い、といった同位体効果の詳細な記述に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

新型コロナの影響があり、予定していた学会発表などを一部行うことはできなかったが、計算手法の開発では予定通りCPLB法の構造最適化プログラムの実装が出来た。得られた成果も論文としてまとめることが出来、当初予定していた成果は着実に上がっている。

Strategy for Future Research Activity

本研究で開発したCPLB法のさらなる改良は今後も継続していくが、昨年度からの繰り越しであるため、今年度が最終年となる。

  • Research Products

    (15 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Theoretical study of the H/D isotope effect of CH4/CD4 adsorption on a Rh(111) surface using a combined plane wave and localized basis sets method2021

    • Author(s)
      Sakagami Hiroki、Tachikawa Masanori、Ishimoto Takayoshi
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 11 Pages: 10253~10257

    • DOI

      10.1039/D0RA10796D

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Metal-doped carbon nanocones as highly efficient catalysts for hydrogen storage: Nuclear quantum effect on hydrogen spillover mechanism2021

    • Author(s)
      Yodsin Nuttapon、Sakagami Hiroki、Udagawa Taro、Ishimoto Takayoshi、Jungsuttiwong Siriporn、Tachikawa Masanori
    • Journal Title

      Molecular Catalysis

      Volume: 504 Pages: 111486~111486

    • DOI

      10.1016/j.mcat.2021.111486

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hydrogen/deuterium adsorption and absorption properties on and in palladium using a combined plane wave and localized basis set method2020

    • Author(s)
      Sakagami Hiroki、Tachikawa Masanori、Ishimoto Takayoshi
    • Journal Title

      International Journal of Quantum Chemistry

      Volume: 120 Pages: e26275

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/qua.26275

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Theoretical study of H/D isotope effect with metal by using combined plane wave and localized basis set approach2020

    • Author(s)
      T. Ishimoto
    • Organizer
      1st International Symposium "Hydrogenomics"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electronic structure calculation of metal nanoparticles -Toward theoretical design of functionality and activity-2020

    • Author(s)
      T. Ishimoto
    • Organizer
      IAAM Advanced Materials Lecture
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 金属表面への分子吸着におけるH/D同位体効果の理論解析に向けたCPLB法の開発2020

    • Author(s)
      坂上弘輝、石元孝佳、立川仁典
    • Organizer
      第14回物性科学領域横断研究会
  • [Presentation] 金属表面の分子吸着に対するH/D同位体効果の理論解析に向けたCPLB法の開発2020

    • Author(s)
      坂上弘輝、石元孝佳、立川仁典
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
  • [Presentation] Development of combined plane wave and localized basis sets method to treat the H/D isotope effect of adsorption of atoms/molecules on metal surfaces.2019

    • Author(s)
      H. Sakagami, T. Ishimoto, M. Tachikawa
    • Organizer
      The 23rd International Annual Symposium on Computational Science and Engineering
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of combined plane wave and localized basis set method toward the analysis of H/D adsorption mechanism on the metal surfaces2019

    • Author(s)
      H. Sakagami, T. Ishimoto, M. Tachikawa
    • Organizer
      Isotopes 2019
  • [Presentation] Development of combined plane wave and localized basis set method: Application of H/D adsorption on Pd(111) surface2019

    • Author(s)
      H. Sakagami, T. Ishimoto, M. Tachikawa
    • Organizer
      IAMS-YCU Autumn Symposium 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of combined plane wave and localized basis sets method toward analysis of H/D isotope effect of CH4/CD4 adsorption on metal surfaces2019

    • Author(s)
      坂上弘輝、石元孝佳、小林理、立川仁典
    • Organizer
      第13回 分子科学討論会
  • [Presentation] CPLB法の開発とRh表面へのメタン吸着に関するH/D同位体効果の解析2019

    • Author(s)
      坂上弘輝、石元孝佳、立川仁典
    • Organizer
      日本コンピュータ化学会2019秋季年会
  • [Presentation] 金属表面への吸着機構に関するH/D同位体効果の理論解析2019

    • Author(s)
      坂上弘輝、石元孝佳、立川仁典
    • Organizer
      第13回物性科学領域横断研究会
  • [Presentation] Theoretical study of electronic structure and catalytic activity in metal nanoparticles2019

    • Author(s)
      T. Ishimoto
    • Organizer
      CatScience
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Theoretical study of hydrogen/deuterium absorption properties in Pd by using combined plane wave and localized basis set approach2019

    • Author(s)
      T. Ishimoto, H. Sakagami, M. Tachikawa
    • Organizer
      MRM2019
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2021-12-27  

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