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本研究は、分子シミュレーションを用いた無機膜の透過機構の解明と、第一原理量子化学計算を用いた表面原子の修飾法の研究をおこなったものである。
(1)分子シミュレーションではμVT-NEMD法を用いて炭素膜中の純粋および混合気体の透過現象を再現し、膜の表面がランダム不均一表面である場合に比べて、周期的なエネルギーバリアを持つ表面では、透過ガスの吸着力が強いほど拡散抵抗が大きく、吸着平衡が支配的な分離機構から拡散抵抗支配の分離機構に変化することを明らかにした。(2)炭素膜入口のスリット幅を変えたメタン+エタン混合気体の透過では、強吸着成分のエタンが細孔入口をブロックして、単独ならば透過できる小さなメタン分子が透過できなくなる現象を観察した。(3)純シリカZSM-5中のヘリウム、窒素、二酸化炭素、メタン、エタンの透過現象をシミュレーションし、求めた細孔内の密度分布から、膜の入口・内部・出口の透過抵抗が推定できることを示した。(4)膜出口の透過現象の解析に新しく導入した核波束法を用いて面に垂直方向の運動エネルギーの大きさが透過抵抗に及ぼす影響を調べた。
Gaussianを用いた第一原理量子化学計算をおこなった後で、Gamessを用いた計算から分子間ポテンシャルの分解をおこなったところ、二酸化炭素とMg-Oクラスター間の分子間ポテンシャルを支配する因子はMg-Oから二酸化炭素への電荷移動項であることが明らかになった。そこで、Mgよりも電気陰性度の小さなCa原子を選び、Mgの一部と交換したところ、電荷移動項がさらに促進されて吸着エネルギーが大きくなった。この計算例は、表面修飾原子を系統的に探索する新しい方法を示唆するものである。
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