多元系固体イオニクス材料に対する高精度ハイスループット・スクリーニング手法の開発

• 研究課題/領域番号: 17H04948
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 金属物性・材料
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 豊浦 和明 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60590172)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円); 2019年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円); 2018年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2017年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円)
• キーワード: 固体イオニクス / プロトン伝導性酸化物 / ハイスループット・スクリーニング / 第一原理計算

研究成果の概要

本研究では，多元系固体イオニクス材料に対するハイスループット・スクリーニングの実現に向けて，第一原理電子状態計算と機械学習を連携させた高速かつ高精度なイオン伝導解析手法の開発を行った．具体的には，ガウス過程に基づくベイズ最適化と経路探索アルゴリズムを組み合わせることにより，結晶中の伝導キャリアのポテンシャルエネルギー曲面において，イオン伝導性の支配領域を選択的に評価する方法論を構築した．また，本提案手法の有用性を実証するために，プロトン伝導性酸化物をターゲットに無機結晶構造データベースをスクリーニングしたところ，現行材の移動度を超える有望化合物を複数発見するに至った．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では，多元系固体イオニクス材料に対するハイスループット・スクリーニングの実現に向けて，第一原理電子状態計算と機械学習を連携させた高速かつ高精度なイオン伝導解析手法の開発を行った．本手法を用いることで各種電気化学デバイスの材料開発を理論計算主導で行うことができ，デバイス開発の合理化・高速化が期待できる．また，本手法を用いて獲得したプロトン伝導性酸化物に関するデータをHPで公開することで，次世代燃料電池の開発が加速されることが期待される．

研究成果

• [雑誌論文] 5．第一原理計算と機械学習による固体イオニクス材料の高効率評価手法 (2020)
  • 著者名/発表者名: 豊浦 和明, 金森 研太, 竹内 一郎
  • 雑誌名: 電気化学 巻: 88 号: 1 ページ: 28-35
  • DOI: 10.5796/denkikagaku.20-FE0006
  • NAID: 130007806099
  • ISSN: 2433-3255, 2433-3263
  • 年月日: 2020-03-05
• [雑誌論文] Carrier-carrier interaction in proton-conducting perovskites: carrier blocking vs trap-site filling (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Toyoura, T. Fujii, N. Hatada, D. Han, T. Uda
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 123 号: 44 ページ: 26823-26830
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b08199
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preferential proton conduction along a threedimensional dopant network in yttrium-doped barium zirconate: a first-principles study (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Toyoura, Weijie Meng, Donglin Han, Tetsuya Uda
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 6 号: 45 ページ: 22721-22730
  • DOI: 10.1039/c8ta08283a
  • NAID: 120006543403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploring a potential energy surface by machine learning for characterizing atomic transport (2018)
  • 著者名/発表者名: Kanamori Kenta、Toyoura Kazuaki、Honda Junya、Hattori Kazuki、Seko Atsuto、Karasuyama Masayuki、Shitara Kazuki、Shiga Motoki、Kuwabara Akihide、Takeuchi Ichiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 号: 12 ページ: 125124-125124
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.125124
  • 査読あり
• [学会発表] 酸化物中におけるプロトン拡散の原子論的理解 (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊浦 和明
  • 学会等名: 第76回固体イオニクス研究会「プロトン伝導体の研究最前線」
  • 招待講演
• [学会発表] Potential energy surface mapping by machine learning for characterizing atomic diffusion in crystals (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Toyoura
  • 学会等名: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] プロトン伝導性BaZrO3中のキャリア間相互作用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊浦和明, 藤井健雄, 畑田 直行, 韓 東麟, 宇田哲也
  • 学会等名: 日本金属学会2019年秋期講演大会
• [学会発表] Preferential proton conduction along a 3D dopant network in highly- doped barium zirconate - A first-principles study (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Toyoura, Weijie Meng, Donglin Han, Tetsuya Uda
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Advanced Microscopy and Theoretical Calculations (AMTC6)
  • 国際学会
• [学会発表] マスター方程式を用いた相互作用粒子拡散の定量評価手法 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤井健雄, 豊浦和明, 宇田哲也
  • 学会等名: 第15回固体イオニクスセミナー
• [学会発表] Y添加BaZrO3中におけるプロトン伝導の微視的描像 (2018)
  • 著者名/発表者名: 豊浦 和明，孟 維杰，韓 東麟，宇田哲也
  • 学会等名: 第44回固体イオニクス討論会
• [学会発表] A first-principles study on proton trapping in yttrium-doped barium zirconate (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Toyoura, Weijie Meng, Tetsuya Uda
  • 学会等名: 19th Solid State Protonic Conductors
  • 国際学会
• [学会発表] Y添加BaZrO3におけるプロトントラッピング効果の第一原理解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 豊浦 和明，孟 維杰，宇田哲也
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第31回秋季シンポジウム
• [学会発表] 第一原理計算と機械学習に基づいた固体内イオン伝導の高効率評価手法の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 豊浦和明，服部和樹，世古敦人，本多淳也，金森研太，竹内一郎
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2018年年会
• [学会発表] ペロブスカイト型酸化物のプロトン伝導性と結晶学的対称性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 服部和樹，豊浦和明，宇田哲也
  • 学会等名: 第 43 回固体イオニクス討論会
• [学会発表] ガウス過程に基づくPESサンプリングと経路探索アルゴリズムによる原子拡散・イオン伝導の高効率評価手法の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 豊浦 和明，金森 研太，世古 敦人，本多 淳也，竹内 一郎
  • 学会等名: 日本金属学会2017年秋期講演大会
• [図書] Chapter 2, Nanoinformatics (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Toyoura, Ichiro Takeuchi
  • 総ページ数: 20
  • 出版者: Springer, Singapore
  • ISBN: 9789811076169