Surface hydrogen engineering: First-principles calculations of spillover hydrogen and demonstration of quantum tunneling effect
| Project Area | Surface hydrogen engineering: Utilization of spillover hydrogen and verification of quantum tunneling effect |
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| Project/Area Number |
21H05101
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
日沼 洋陽 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80648238)
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| Project Period (FY) |
2021-08-23 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
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| Keywords | 表面水素工学 / スピルオーバー水素 / 量子トンネル効果 / 第一原理計算 |
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| Outline of Research at the Start |
「Hは固体表面・界面でどう動くか？」の問いに応えるため、予備的な一歩として、1) H吸着サイトの自動判定手法の構築を行う。室温付近での量子トンネル効果はH移動度を大きく向上させるため、2) 量子トンネル効果が絡むHスピルオーバーメカニズムの提案を検討する。さらに、表面・界面のHのみが有する特徴を生かした新材料開発を行うため、3) 異種界面Hスピルオーバーの制御因子を探索する。これらにより、Hスピルオーバー系の挙動解明を行い、新機能創出への道筋をつける。併せて、実験による領域の他の計画研究に対し、理論的視点からサポートする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体表面・界面をスピルオーバーするHは、安定点から安定点を移動する、特定の経路を通ると考えられる。ここでは、安定点から隣の安定点への線分をパスと呼ぶ。どの安定点同士を結ぶと有効なパスになるのかは、平易な表面では自明なことも多いが、複雑な表面では、人間の直感をもとに判定を行うと漏れがあったり、逆に道中に別の安定点を経由してしまうような無効なパスを選択したりするなどの問題がある。このため、パスの機械的な判定手法が重要である。
表面Hスピルオーバーが起こりうるTiO2 (110)およびCeO2 (100)面に対し、代表者が開発した手法（既報）をもとに、第一原理計算を用い、Hの吸着サイトを求めた。また、Voronoi分割を用いた、新たに開発した手法でHの拡散パスを得た。パスに対しNudged elastic band法を適用し、具体的なH拡散の活性化障壁および拡散経路を得ることができた。TiO2 (110)ではdouble-split吸着サイト、CeO2 (100)ではdouble-splitおよびquadruple-split吸着サイトがあり、これらの吸着サイトを求めることは自明ではなかった。
パスを求めるアルゴリズムはPythonコードとして実装されているため、様々な表面に対して、安定点の情報があれば適用することができる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
FY2021ではH吸着サイト間のH移動パスを機械的に判定し、Hの拡散経路を自動的に求める手法を開拓することが目的であったが、この方法の開発に成功し、Mater. Trans. 誌に掲載された。
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| Strategy for Future Research Activity |
領域代表者らは、低温で進行するHスピルオーバー現象に、Hの移動を容易にする量子トンネル効果が関与しているのではないかと仮定している。例えば、金属上でのH/D交換反応や、ゼオライトやヘテロポリ酸表面でのプロトンホッピングに量子トンネル効果の関与が指摘されている。このため、室温で量子トンネル効果が起きる系の探索を行う。用いる手法は、主に修正された遷移状態理論(Semi-classically-corrected Transition State Theory, STST)に基づくDFT計算であり、量子トンネル効果が支配的になるクロスオーバー温度(Tc)を求める。
身近な元素であるHが関わる化学反応に、事実上Hでのみ見られる量子トンネル効果がどのように関与しているかを理解することは、学術的な意義が極めて高い。熱力学的および反応速度論的制御に加え、量子トンネル効果を利用して化学反応が制御できる可能性があり、新しい反応パラダイムとして期待できる。
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
