高密度水素吸蔵金属有機材料の超高速高信頼設計

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23241027
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 川添 良幸 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 名誉教授 (30091672)
• 研究分担者: ベロスルドフ ロディオン 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (10396517)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 第一原理計算 / van der Waals力 / グラフェン / クラスレート水和物 / 時間依存DFT計算 / 有機金属構造体 / 材料探索 / 材料設計

研究実績の概要

本研究では、第一原理計算を用いた新規高機能ガス貯蔵材料の広範な探索と貯蔵能に関する詳細なメカニズムの解明を実施した。特に、気体分子とケージ上の構造を有するナノ構造体との相互作用はファンデルワールス力であり、これまで理論的に双極子励起を第一原理的に取り込んだ精密計算がなされたことはなく、本研究の基盤部分として、この重要問題に取り組み、法全電子混合基底第一原理計算プログラムTOMBOにカシダ法による時間依存密度汎関数計算を付加的に開発し、それを用いて、各種分子に関して引力項と斥力項の係数の絶対値算定に成功した。
具体的な研究対象物としては、カーボンナノチューブ、グラフェン、有機金属構造体、クラスレート水和物を中心として、貯蔵能向上を目的とした種々の付加分子を含む系への各種気体貯蔵・放出の詳細シミュレーションを実施した。特に、本研究の独自性として、外部電場による水素放出の高速化や、対象系に歪を加えることによる貯蔵能増大の検討も行った。
水素貯蔵量向上方策の一つとして水素分子を分解して水素原子として貯蔵することが考えられており、この分解過程のシミュレーションをTOMBOの時間依存密度汎関数計算によって行い、ニッケル触媒を含む系での水素分子分解反応過程の時間発展追跡に成功した。通常の第一原理計算では、電子は基底状態におかれるため、実際の反応より相当運動エネルギーの大きな状態ではじめて反応が起こるが、我々はこの問題の抜本的解決法の提案に成功した。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Porphyrin-based porous sheet: Optoelectronic properties and hydrogen storage (2015)
  • 著者名/発表者名: G. Z. Zhou, Q. Sung, Y. Kawazoe, and P. Jena
  • 雑誌名: INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY 巻: Vol.40, No.9. ページ: 3689-3696
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.01.069
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical investigation of structures, compositions, and phase transitions of neon hydrates based on ices Ih and II (2014)
  • 著者名/発表者名: Yu. Yu. Bozhko, O. S. Subbotin, V. M. Fomin, V. R. Belosludov and Y. Kawazoe
  • 雑誌名: J. Eng. Thermophys. 巻: 23 ページ: 20-26
  • DOI: 10.1134/S1810232814010032
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical investigation of structures and compositions of double neon-methane clathrate hydrates, depending on gas phase composition and pressure (2014)
  • 著者名/発表者名: Yu. Yu. Bozhko, O. S. Subbotin, V. M. Fomin, V. R. Belosludov and Y. Kawazoe
  • 雑誌名: J. Eng. Thermophys. 巻: 23 ページ: 9-19
  • DOI: 10.1134/S1810232814010020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lithium-doped triazine-based graphitic C3N4 sheet for hydrogen storage at ambient temperature (2014)
  • 著者名/発表者名: Guizhi Zhu, Kun Lu, Qiang Sun, Yoshiyuki Kawazoe and Puru Jena
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 81 ページ: 275-279
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2013.08.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stability and composition of helium hydrates based on ices Ih and II at low temperatures (2014)
  • 著者名/発表者名: Rodion V. Belosludov, Yulia Y. Bozhko, Oleg S. Subbotin, Vladimir R. Belosludov, Hiroshi Mizuseki, Yoshiyuki Kawazoe and Vasily M. Fomin
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 118 ページ: 2587-2593
  • DOI: 10.1021/jp411241s
  • 査読あり
• [雑誌論文] Engineering of Band Gap in Metal－Organic Frameworks by Functionalizing Organic Linker: A Systematic Density Functional Theory Investigation (2014)
  • 著者名/発表者名: Hung Q. Pham, Toan Mai, Nguyen-Nguyen Pham-Tran, Yoshiyuki Kawazoe, Hiroshi Mizuseki and Duc Nguyen-Manh
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 118 ページ: 4567-4577
  • DOI: 0.1021/jp405997r
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen storage in TiO2 functionalized (10, 10) single walled carbon nanotube (SWCNT) e First principles study (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Lavanya, V.J. Surya, I. Lakshmi, K. Iyakutti, V. Vasu, H. Mizuseki and Y. Kawazoe
  • 雑誌名: Int. J. Hydrogen Energy 巻: 39 ページ: 4973-4980
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.01.048
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved Interaction of Hydrogen on Transition-Metal-Doped Al(100) Stepped Surface (2014)
  • 著者名/発表者名: M. M. Zheng, Q. Ren, G. Chen and Y. Kawazoe
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 118 ページ: 7442-7450
  • DOI: 10.1021/jp500178y
  • 査読あり
• [雑誌論文] First Principles Studies on Hydrogen Storage in Single-walled Carbon Nanotube Functionalized with TiO2 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Kanmani, R. Lavanya, D. Silambarasan, K. Iyakutti, V. Vasu and Y. Kawazoe
  • 雑誌名: Solid State Commun. 巻: 183 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2013.12.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooperatively Enhanced Catalytic Properties of Ti@Al(100) Near-surface Alloy for Aluminum Hydrogenation (2014)
  • 著者名/発表者名: M. M. Zheng, S. L. Xiu, P. Zhao, Y. Zhang, H. Y. Liu, S. J. Li, T. Q. Ren, G. Chen and Y. Kawazoe
  • 雑誌名: Int. J. Hydrogen Energy 巻: 39 ページ: 11963-11975
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.06.024
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Study of Hydrogen Storage in Binary Hydrogen-methane Clathrate Hydrates (2014)
  • 著者名/発表者名: R. V. Belosludov, R. K. Zhdanov, O. S. Subbotin, H. Mizuseki Y. Kawazoe and V. R. Belosludov
  • 雑誌名: J. Renewable Sustainable Energy 巻: 6 ページ: 053132
  • DOI: 10.1063/1.4899075
  • 査読あり
• [学会発表] New Energy Harvesting Materials Search by Computer Simulation (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Kawazoe
  • 学会等名: ICCP9(The 9th International Conference on Computational Physics)
  • 発表場所: National University of Singapore
  • 年月日: 2015-01-07 – 2015-01-11
  • 招待講演
• [学会発表] New Reliable Methods of Computational Materials Science as Future Standard (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Kawazoe
  • 学会等名: IWAMSN（7th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology）
  • 発表場所: Grrand Ha Long Hotel, Hanoi, Vietnam
  • 年月日: 2014-11-03 – 2014-11-05
  • 招待講演
• [学会発表] Reliable Computer Simulation to Predict Efficient Clean Hydrogen Storage Materials (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Kawazoe
  • 学会等名: "Science of the Future" in St. Petersburg
  • 発表場所: Saint Petersburg State University
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
  • 招待講演
• [学会発表] Modeling of the Hydrogen Hydrates Phase Diagram in Wide Pressure Range (2014)
  • 著者名/発表者名: Ravil Zhdanov, Oleg Subbotin, Vladimir Belosludov, Rodion Belosludov and Yoshiyuki Kawazoe
  • 学会等名: The8th International Conference on Gas Hydrates (ICGH8)
  • 発表場所: China National Convention Centre, China
  • 年月日: 2014-07-28 – 2014-08-01