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本研究では、独自に考案した“調吸着種”概念を用いて、高温不均一表面反応機構の自動生成アルゴリズムを開発し、触媒設計に資する表面反応解析基盤を開発することを目的とする。解析基盤開発に必要な研究課題として、1)表面反応機構の分類化、2)局所表面構造を包含した表面反応一般則の確立、3)反応機構自動生成アルゴリズムの考案、4)自動生成プログラムの実装、の４つにブレイクダウンし取り組んだ。前年度までに、計算対象とする化学種および触媒表面を拡張しながら、1)および2)の研究課題に対して、遷移金属表面における簡単な構造の直鎖型炭化水素についてはほぼ達成することができた。
4年目を迎え最終年度となる平成30年度では、主に3)反応機構自動生成手法の確立、および4)自動生成プログラムの作成を実施し、最終的に触媒設計に資する表面反応解析基盤の開発を行った。前年までに得られた吸着エネルギーに関する一般則を元に、Evans-Polani則を活用しながら反応エネルギーおよび活性化エネルギーを推測し、平衡定数や反応速度定数という形まで落とし込むことで、反応機構自動作成に必要なデータベースを完成させた。一部の反応例について量子化学計算や分子動力学計算による遷移状態理論を応用した精密な速度定数の計算結果と比較し、予測により得られた反応速度定数がある程度の精度を保っていることを確認した。自動生成において重要となる起こりうる反応パターンの予測・展開については、気相でのノウハウや反応流れ解析の結果に基づき、全可能性を考えるのではなく主要な反応経路を中心に予測した上で副生成経路を追加してゆく手法を考案し、アルゴリズムとしてプログラムに実装した。最後にテスト例としてメタン水蒸気改質について自動生成プログラムを適応し、得られた自動生成反応機構が今までに検討され既に確立している反応機構を十分に模擬していることを確認した。
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