| 研究課題/領域番号 |
16K13843
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
清水 幸弘 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70250727)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 触媒活性 / 電子状態計算 / 電子相関効果 / テンソルネットワーク |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、自動車排気ガス浄化のための貴金属触媒の代替材料候補の１つである遷移金属化合物における触媒機能のメカニズムを、電子状態研究に基づいて解明することである。特に、遷移金属化合物のd電子の電子相関効果が、触媒の機能の優劣に如何に関与するかを解明する。平成２９年度においては、以下の研究を実施した。
１．触媒表面における窒素酸化物（NO）と一酸化炭素（CO）の浄化プロセスの電子状態を第一原理計算によって調べ、貴金属触媒と遷移金属触媒の比較をした。その結果、酸素の触媒表面への吸着エネルギーの値が、NO-CO反応の活性化エネルギーを決める指標の１つとなることを見出した。NOの解離反応は、酸素の吸着エネルギーが大きい表面において反応速度が速い。一方、COの酸化反応の反応速度は逆の傾向となり、NO-CO反応においてトレードオフの関係になる。貴金属表面がバランスの良い状態となっている。遷移金属化合物による代替材料候補探索のための指針の１つを得ることができた。
２．触媒の貴金属と助触媒の酸化セリウム（セリア）との相互作用を第一原理計算手法を用いて調べた。セリウムの４f電子間のクーロン相互作用により、局在４f電子を持つセリウムサイトが出現し、そのサイトと貴金属サイトとの電子の移動により酸素の吸着・放出能が向上することを示した。電子相関効果が、酸素の吸着エネルギー変化を介して、触媒活性を変化させることが解った。
３．触媒活性点近くの電子相関効果を取り入れた格子模型のテンソルネットワークを構築した。行列積演算子の方法を用いて、テンソルネットワークの手法を並進対称性の無い系の計算に拡張した。
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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
貴金属触媒における自動車排気ガス浄化の化学反応を電子論的に解明し、その微視的機構の理解を踏まえて、代替材料の遷移金属化合物を探索する指針を得ることに資する結果を得ることができた。Rhが、窒素酸化物の還元反応、および、一酸化炭素の酸化反応の双方において優れた触媒活性を示す微視的機構を酸素の吸着エネルギーの視点から見出すことができた。この結果は、代替材料の開発における１つの指針を与えるものであり、電子状態計算や機械学習による材料探索の効率化に役立つ。また、助触媒として広く用いられている酸化セリウムと貴金属との相互作用による触媒作用の改善効果（いわゆる、メタル・サポート相互作用）における電子間相互作用の寄与を微視的計算結果を用いて研究し、酸素の吸着・放出能の視点から触媒活性を向上させる機構を明らかにできた。さらに、単純化した格子模型にテンソルネットワークの手法を用いることによって、触媒活性点近くの電子相関効果を調べることができた。これらの結果は、遷移金属酸化物における触媒活性の研究を推進するための重要な要素研究である。それゆえに、研究計画は、おおむね順調に進展している、と自己評価をした。
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| 今後の研究の推進方策 |
自動車排気ガス浄化触媒の候補となっている遷移金属酸化物においては、d電子の局在性と電子間相互作用により、触媒活性点とメタル・サポート相互作用を１つの物質に内在していると考えられる。今年度に得られた研究結果に基づき、遷移金属酸化物において触媒活性点とメタル・サポート相互作用が如何に共存しているかを解明する。研究計画は、以下の通りである。いくつかの遷移金属酸化物の第一原理計算を実施し、ナッジド・エラスティック・バンド（NEB）法により化学反応の遷移状態を求める。遷移状態の電子状態から優れた触媒活性を実現する機構を調べる。触媒活性を制御するための要因を明確にするために、簡単化した格子模型を用いた研究も第一原理計算と相補的な観点から実施する。格子模型を用い、活性点周辺のサイトの電子間相互作用の大きさなどのモデルパラメータを人工的に変化させ、触媒活性を制御する機構を調べる。テンソルネットワークの変分最適化の高速化と効率化を推進する。
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