| 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 / 誘電率 / 熱伝導度 / 温室効果ガス / 超イオン導電体 / ガラス転移 |
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| 研究実績の概要 |
近年、化石燃料中の硫黄の燃焼によって形成される硫黄酸化物の汚染に多くの注意が払われている。大気に放出された硫黄酸化物は酸性雨として落下し、様々な被害をもたらしてきた。溶液中の硫酸イオンSO4- の研究は溶液化学ばかりではなく環境保全の視点からも重要である。本研究では、電解質水溶液の分子動力学法(MD)による研究の一環として、海水のモデルとしての塩化ナトリウム水溶液に硫酸ナトリウムが溶解した場合の構造、輸送現象、熱物性に及ぼす影響、および錯体形成等について考察した。
また、有機物の水溶液による二酸化炭素の吸収についても、構造、輸送係数、粘性の変化や、分子の振動モードについて考察した。
電解質水溶液における静的な誘電率については、正負イオンまわりに配向する水分子モデルを用いて、分子論的な立場から検討を行ってきた。具体的な適用例として、海水濃度を含む種々の濃度のNaCl 水溶液に対して、誘電率がNaCl 濃度と共に減少することを示し、また実測値ともよく一致することを報告してきた。今回は、電解質水溶液における誘電率の周波数依存性について検討を行い、NaCl 水溶液に適用して数値計算を行なった。
一方、近年AgIを添加した超イオン電導ガラスは、燃料電池等への応用において注目を集めてきた。取り分け(AgI)x(AgPO3)1-x 系は、ガラス転移温度が低く、室温におけるイオン電導度は液体電解質と同程度である。また、中性子散乱実験によってガラス転移の前後で構造が大きく変化し、ガラス状態でPO4 のネットワーク構造が形成されることが示唆されている。AgイオンはPO4とAg-Oボンドを作りながら、移動していくと考えられる。今回我々は(AgI)x(AgPO3)1-x 系に関して、イオンの分極と遮蔽効果を考慮したポテンシャルを用いて、融体とガラス状態における構造や輸送係数等の変化について考察した。
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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
電解質水溶液の研究については、温室効果ガス、および硝酸イオンが海水に溶解した場合について考察した我々の論文が、昨年度すでに出版されている。今年度は主に硫酸イオンが海水に混入した場合について考察した。硫酸イオンの形状と電荷を量子化学計算ソフトGaussianを用いて決定し、分子動力学法(MD)を用いて溶液中の水分子とイオンの位置関係を推定した。さらに輸送係数、粘性係数等の硝酸イオンの濃度による変化を求めた。特筆すべき事項として、実験的に得られているイオン電導度は、シミュレーションによってNernst-Einsteinの関係から予想されるイオン電導度の約1/3程度であった。これは溶液中に錯体 [Na2]2+[SO4(H2O)n]2- が形成され、イオン伝導が阻害されているためであると考えられ、回転相関関数を用いて錯体のlife time を推定した。
有機物の水溶液に関しては、グリシンの水溶液による二酸化炭素の吸収について、吸収される二酸化炭素濃度の違いによる構造と輸送現象の変化について、MDによって考察した。第一原理計算によってグリシンと二酸化炭素の結合を再現し、結合エネルギーを見積もった。電解質水溶液における誘電率に関しては、今回は周波数依存性について検討を行った。
溶融塩混合系に関しては、当初予定していた炭酸溶融塩混合系についてはすでに多くの先行研究が行なわれているため、MDによる研究が行なわれていない系を先に実施することにして、今回は室温近傍でガラス転移して超イオン伝導ガラスとなるAgI-AgPO3系についてMDによる研究を行なった。転移温度以下での構造はガラス状態の性質を示していることが確かめられた。
平成27年以降これまでに査読論文4報(単著)掲載、学会発表19回(うち国際会議での発表6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 |
溶融塩の研究についは、当初予定していた炭酸溶融塩混合系についてはすでに多くの先行研究が行なわれているため、MDによる研究が行なわれていない系を先に実施することにして、融体中に立体的なイオンが形成され急冷によってガラス化転移が起こり、低温で超イオン電導ガラスとなるAgI-AgPO3系についてシミュレーションによる研究を進めてきた。溶融塩混合系では、特に貴金属ハロゲン化物とアルカリ金属ハロゲン化物の混合系に興味が持たれるが，これらの内には，成分にガラスの網の目構造を形成するP，B，Mo 等の酸化物を含まないにも拘らずガラス転移を起こして室温で超イオン導電体となるものがある。例えば，銀ハロゲン化物とアルカリハロゲン化物の混合系であるAgI-AgCl-CsCl 系はガラス転移して室温で超イオン電導ガラスとなる。今後はAgI-AgCl-CsCl系の融体とガラス転移についても研究を進めていく。電子状態についても第一原理計算によって考察する予定である。また燃料電池の電解質やセンサーへの応用が期待される Li2SO4-Na2SO4系についても研究を進め、構造や熱力学的性質について考察する予定である。また、今後の発展的研究として，安全な生物電池として有望なグルコースの水溶液についても研究を開始する予定である。
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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、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成果が上がったために新規の購入を見合わせたためである。そのため一部を成果発表等のための旅費や役務費に振り向けた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
今後の研究の遂行のために必要となる消耗品の購入のために使用し、研究の進展に伴って必要となる成果発表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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