凝縮系の熱力学量に対する高精度量子化学計算法の開発

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K13629
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 中井 浩巳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00243056)
• 研究分担者: 石川 敦之 早稲田大学, 理工学術院, 次席研究員(研究院講師) (80613893) [辞退]
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 量子化学計算 / 熱力学量 / 溶媒効果 / Henry定数 / CO2化学吸収法 / 遷移金属錯体

研究実績の概要

本研究では、凝縮相の熱力学計算に対する高精度量子化学計算法の確立を目指して、我々が開発した新しい理論モデルである調和溶媒和モデル(HSM)の実践的応用を行った。その他、本目的に必要な理論的検討を行った。
①剛体近似型調和溶媒和モデル(RB-HSM)の開発：従来のHSM法では、数値微分によるヘシアン計算を行っていた。そのため、溶質の原子数が多くなると計算負荷が大きくなり、適用が困難であった。そこで、エントロピー項のリーディング項である並進と回転のみをHSMを用いて取り扱うために、剛体近似を導入した。
②量子化学計算による気液平衡の理論的検討：Henry定数などの気体分子の溶解度は、基礎的な物理化学のみならず環境科学など種々の応用分野においても重要なパラメータである。本研究では、25種類の気体分子に対してHSMを用いて溶解自由エネルギーを理論的に見積った。特に従来法では困難な溶解エントロピーの記述が改善され、溶解度の温度依存性を定量的に取扱えることが示された。
③CO2化学吸収法における反応自由エネルギーの理論的検討：アミン溶液を用いたCO2化学吸収法は、地球温暖化の解決手段として注目されている。実用的な観点から、吸収塔における速い吸収と再生塔における低い再生エネルギーがアミン溶液に求められている。本研究では、特に、13種類のアミン溶液に対してCO2吸収反応の反応自由エネルギーを理論的に検討した。特に、あらわな水溶媒を第1溶媒和圏、第2溶媒和圏と含めることにより、一定値に収束することが見出された。
④遷移金属錯体の生成エンタルピーの理論的検討：本研究では、23種類の遷移金属錯体に対して生成エンタルピーを理論的に検討した。その結果、電子相関効果の十分な取り込みに加えて相対論効果の考慮が不可欠であることが示された。

研究成果

• [雑誌論文] Catalytic performance of Ru, Os, and Rh nanoparticles for ammonia synthesis: A density functional theory analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Atsushi、Doi Toshiki、Nakai Hiromi
  • 雑誌名: Journal of Catalysis 巻: 357 ページ: 213～222
  • DOI: 10.1016/j.jcat.2017.11.018
• [雑誌論文] Electron-Hopping Brings Lattice Strain and High Catalytic Activity in the Low-Temperature Oxidative Coupling of Methane in an Electric Field (2018)
  • 著者名/発表者名: Ogo Shuhei、Nakatsubo Hideaki、Iwasaki Kousei、Sato Ayaka、Murakami Kota、Yabe Tomohiro、Ishikawa Atsushi、Nakai Hiromi、Sekine Yasushi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 ページ: 2089～2096
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b08994
• [雑誌論文] Semi-local machine-learned kinetic energy density functional with third-order gradients of electron density (2018)
  • 著者名/発表者名: Seino Junji、Kageyama Ryo、Fujinami Mikito、Ikabata Yasuhiro、Nakai Hiromi
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 148 ページ: 241705～241705
  • DOI: 10.1063/1.5007230
• [雑誌論文] Theoretical Analysis of Carrier Ion Diffusion in Superconcentrated Electrolyte Solutions for Sodium-Ion Batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Okoshi Masaki、Chou Chien-Pin、Nakai Hiromi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 122 ページ: 2600～2609
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b10589
• [雑誌論文] Gauge-origin independent formalism of two-component relativistic framework based on unitary transformation in nuclear magnetic shielding constant (2018)
  • 著者名/発表者名: Hayami Masao、Seino Junji、Nakai Hiromi
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 148 ページ: 114109～114109
  • DOI: 10.1063/1.5016581
• [雑誌論文] Electrocatalytic synthesis of ammonia by surface proton hopping (2017)
  • 著者名/発表者名: Manabe R.、Nakatsubo H.、Gondo A.、Murakami K.、Ogo S.、Tsuneki H.、Ikeda M.、Ishikawa A.、Nakai H.、Sekine Y.
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 8 ページ: 5434～5439
  • DOI: 10.1039/c7sc00840f
• [雑誌論文] Density Functional Theory Analysis of Elementary Reactions in NOx Reduction on Rh Surfaces and Rh Clusters (2017)
  • 著者名/発表者名: Deushi Fumiko、Ishikawa Atsushi、Nakai Hiromi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 121 ページ: 15272～15281
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b04526
• [雑誌論文] Computerized implementation of higher-order electron-correlation methods and their linear-scaling divide-and-conquer extensions (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakano Masahiko、Yoshikawa Takeshi、Hirata So、Seino Junji、Nakai Hiromi
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 38 ページ: 2520～2527
  • DOI: 10.1002/jcc.24912
• [雑誌論文] Parallel implementation of efficient charge-charge interaction evaluation scheme in periodic divide-and-conquer density-functional tight-binding calculations (2017)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Yoshifumi、Nakai Hiromi
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 39 ページ: 105～116
  • DOI: 10.1002/jcc.25086
• [雑誌論文] Rigorous pKa Estimation of Amine Species Using Density-Functional Tight-Binding-Based Metadynamics Simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Sakti Aditya Wibawa、Nishimura Yoshifumi、Nakai Hiromi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 14 ページ: 351～356
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.7b00855
• [雑誌論文] Density-Functional Tight-Binding Molecular Dynamics Simulations of Excess Proton Diffusion in Ice Ih, Ice Ic, Ice III, and Melted Ice VI Phases (2017)
  • 著者名/発表者名: Sakti Aditya Wibawa、Nishimura Yoshifumi、Chou Chien-Pin、Nakai Hiromi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 122 ページ: 33～40
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.7b10664
• [学会発表] 元素戦略のための相対論的量子化学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中井浩巳
  • 学会等名: MEXT-JST 元素戦略合同シンポジウム ～元素戦略研究の歩みと今後～
  • 招待講演
• [学会発表] Chemical Reaction Simulations treated by Linear-Scaling Divide-and-Conquer type Density-Functional based Tight-Binding Molecular Dynamics (DC-DFTB-MD) Method (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakai
  • 学会等名: 253rd ACS National Meeting & Exposition
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Large-Scale Chemical Reaction Simulations by Divide-and-Conquer Density-Functional Tight-Binding Molecular Dynamics Method (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakai
  • 学会等名: 2017 Korea-Japan Molecular Science Symposium ‘Frontiers in Molecular Science: Structure, Dynamics, and Function of Molecules and Complexes’
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Relativistic density functional theory with picture-change corrected electron density based on infinite-order Douglas-Kroll-Hess method (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakai
  • 学会等名: 17th International Conference on Density-Functional Theory and its Applications (DFT2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chemical Reaction Simulations on CO2 Chemical Absorption Process (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakai
  • 学会等名: 11th Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists (WATOC 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Chemistry Meets Artificial Intelligence (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakai
  • 学会等名: Eighth Asia-Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry (APCTCC 8)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] インフォマティクスとの融合による理論化学研究の推進 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中井浩巳
  • 学会等名: 日本化学会関東支部主催講演会「マテリアルズ・インフォマティクスとAIを用いたものづくり」
  • 招待講演
• [学会発表] データ科学は理論化学に何をもたらすか (2017)
  • 著者名/発表者名: 中井浩巳
  • 学会等名: 日本コンピュータ化学会2017秋季年会プレシンポジウム
  • 招待講演