| 研究課題/領域番号 |
15K05136
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| 研究機関 | 長岡工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
松永 茂樹 長岡工業高等専門学校, 一般教育科, 教授 (70321411)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 分子動力学 / シミュレーション / 水溶液 / エントロピー / 誘電率 / 熱伝導度 / 温室効果ガス / 錯体形成 |
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| 研究実績の概要 |
環境負荷の少ないクリーンエネルギーの一つとして、河川水と海水の相互注入から発生する電力の創生である Mixing Entropy Battery (MEB) が提案されている。この電池から抽出する電力は、本質的に水と電解質との混合のエントロピーに関連している。従ってこの電力は河川水と海水における誘電率と直接の関係がある。電解質水溶液における誘電率の理論的な研究は何例かの報告があるが、それらはパラメータを導入する必要がある。本研究では、物理的考察に基づく分子論的手法を用いて誘電率の検討を行っている。電解質のイオンの周囲の水分子の配向を考慮することによって、誘電率が電解質の濃度の増加とともに減少することが説明できた。さらに、電解質のイオンの周囲の誘電関数を設定し、誘電率の電解質の濃度依存を定量的に考察し、概ね実験値と一致する結果を得た。
一方、近年の気候温暖化との関連で、大気中の温室効果ガスの増加が注目を浴びている。これらの温室効果ガス、特に二酸化炭素は気温の上昇と相まって海水へも溶解し、海水の種々の物性変化を引き起こすと考えられる。本研究では海水のモデルとしての塩化ナトリウム水溶液に二酸化炭素及びメタン等が飽和するまで溶解した場合の海水の物性変化について、海面直下から深さ10000mに相当する100MPまでの圧力を加えた場合について、分子動力学シミュレーションによって考察した。二酸化炭素に関しては、電離して炭酸水素イオンになった場合についてもシミュレーションを行った。特筆すべき現象として、80MP以上の圧力を加えた場合に顕著な熱伝導度の低下が見られた。また、二体分布関数から二酸化炭素やメタンの周囲の配位数の減少が推定された。炭酸水素イオンの回転相関から、水分子との錯体のlifetime を求めた。さらに海水に硝酸イオンが混入した場合の輸送現象の変化についても考察した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
エントロピー電池の研究に関しては、電力創出と密接に関連する電解質水溶液中の誘電率について分子論的手法によって考察し、電解質イオンの周囲の水分子の配向を考慮することによって、電解質溶液中の誘電率の濃度依存について検討した。さらに電解質イオンの周囲の誘電率を表す関数を仮定し、実験データを概ね再現できる結果を得た。
海水に温室効果ガス等が混入した系については、構造、輸送係数、熱物性について考察した。特筆すべき現象として高圧下で顕著な熱伝導度の低下が見られた。物性異常の原因として、海水中での構造や配異数の変化から海水中に錯体が形成されることが予想された。回転相関関数から形成が予想される錯体のlifetimeについて考察した。硝酸イオンが海水に混入した系についても、錯体形成の観点から構造と輸送現象の変化について考察した。
研究報告としては、これまでに査読論文3報(単著)掲載、学会発表9回(うち国際会議での発表2回)を行ってきた。他に数本の論文を投稿中である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究に関しては、本年度実施してきたエントロピー電池の理論的研究を継続して実施する。電解質溶液と水分子の相互作用を水分子の配向の観点から詳細に検討し、誘電率の減少の機構について微視的に考察する。更に電解質溶液中の誘電率の低濃度側と高濃度側での違いについても、誘電率を表す関数形との関連から、より詳細に検討する予定である。海水の物性変化については、酸性雨の原因の一つである硫酸イオンが海水に混入した場合についても、構造と輸送現象について溶液中の錯体形成の観点から考察する予定である。硫酸イオンの電荷分布についても、第一原理計算を用いて検討する予定である。溶融塩混合系の研究については、これまであまり考察されていない系を優先的に取り上げて、考察を行っていく予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度使用額が生じた主な理由は、物品費に関して既存の機器やソフトウエアを使用してある程度研究が進展したために新規の購入を見合わせたためである。
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| 次年度使用額の使用計画 |
今後の研究の進展に伴って必要となる新たな備品やソフトウエアの購入を検討する。また、成果発表や情報収集のための旅費としても一部使用する予定である。
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