| 研究課題/領域番号 |
23K23133
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01865 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分27030:触媒プロセスおよび資源化学プロセス関連
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| 研究機関 | 北陸先端科学技術大学院大学 |
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研究代表者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
2024年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 非経験的構造探索 / Ziegler-Natta触媒 / 構造分布の起源 / 遺伝的アルゴリズム / 密度汎関数計算 / 構造探索 / 機械学習ポテンシャル / 構造分布 / 固体触媒 / ナノ構造不均一性 / DFT計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、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。TiCl4及び配位性有機化合物の化学吸着により活性化されたMgCl2ナノ粒子の構造探索法を開発し、その実践を通じて得た準安定構造群の統計分析から、活性種の構造・状態・性能の分布を導くと共に、活性種の設計指針や実験的に不均一性を捉える方法を提案し実証する。
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| 研究実績の概要 |
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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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
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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| 今後の研究の推進方策 |
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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