| 研究課題/領域番号 |
26410014
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
森川 良忠 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80358184)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | メタ・ダイナミクス / 第一原理分子動力学法 / 自由エネルギー / 触媒 / 反応 / 燃料電池 / Si / エッチング |
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| 研究実績の概要 |
本研究計画では、第一原理分子動力学法とメタ・ダイナミクス法を組み合わせ、結合長や結合角のみならず、配位数など、複数の座標次元空間中での自由エネルギー面を求める手法を開発し、電気化学反応やエッチング過程等、基礎科学的にも実用上も重要な界面反応に適用することを目指している。
平成２６年度は、結合長、結合長差、結合中心間距離、結合角、二面角、配位数を一般化座標とするメタ・ダイナミクス法を第一原理分子動力学法プログラムSTATEに組み込み、テスト計算を行った。メタ・ダイナミクス法の組み込みは大学院生修士課程２年の平川皓朗君が行った。結合長を反応座標とするメタ・ダイナミクス法については既に平川君がプログラム化し、テスト計算を行ったところ、問題なく動作していることを確認した。完成したプログラムを、溶液中の均一触媒反応として代表的な鈴木-宮浦クロスカップリング反応に適用し、酸化的付加、トランスメタル化、還元的脱離の各反応段階に適用した。また、溶液中の反応と平行して、Si(111)表面に形成した酸化膜のフッ酸によるエッチング過程のシミュレーションにも取り組んだ。Si(111)表面の酸化膜をフッ酸で処理すると原子レベルで平坦な水素終端面が生成することが知られている。メタ・ダイナミクスを組み込んだ第一原理シミュレーションを用いてフッ酸/Si(111)界面でのHF分子解離吸着過程について研究を行った。その結果、HFが界面で電離し、Fイオンが表面第一層Siに吸着したのち、プロトンはプロトンリレーにより界面平行方向に拡散し、解離したHF分子のHとは別の表面を終端しているOH基のHが最終的にSiのバックボンドに移動し、バックボンドを切る反応が起こりやすいことが明らかとなった。
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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
研究については概ね計画通りに進んでいる。それは、上で述べたように、結合長、結合長差、結合中心間距離、結合角、二面角、配位数を一般化座標とするメタ・ダイナミクス法を第一原理分子動力学法プログラムSTATEに組み込んだところ、当初は様々な問題が発生したが、丹念にプログラムを調べることにより、問題が解決し、順調に動くようになった。これによって、このプログラムを用いて、鈴木-宮浦クロスカップリング反応やフッ酸/Si(111)界面のHF解離および終端化反応過程の研究に適用することができた。特に鈴木クロスカップリング反応については、溶媒水分子を取り入れた第一原理分子動力学法によって、酸化的付加段階についてPd単原子触媒の触媒反応性が明らかになり、従来のトリフェニルフォスフィンなどを配位子として持つ有機Pd錯体触媒よりも反応性が高いことが明らかとなったなど、良い研究成果が出つつある。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、メタダイナミクス法の改良を進めるとともに、水溶媒中での鈴木-宮浦クロスカップリング反応の解明、フッ酸/Si(111)表面のHF吸着過程、Pt(111)表面上での酸素還元反応などの研究に適用していく。鈴木-宮浦クロスカップリング反応に関しては、水溶媒中にPd単原子がある場合の全触媒反応サイクルについて検討を行う。特にトランスメタル化段階については、有機Pd錯体の場合について連続誘電体モデル中での量子化学計算に基づいて研究が従来から行われているが、複数の反応経路の可能性が示唆されている。水分子をあらわに取り入れ、さらに有限温度での第一原理分子動力学法による自由エネルギー計算を行うことにより、どの反応過程が最も重要であるか調べ、全触媒反応サイクル中の律速段階について明らかにする。さらにPdクラスターの場合に研究を拡張していく予定である。フッ酸/Si(111)界面でのHF分子解離吸着過程については、さらに詳細な研究を行うことにより、どのイオンがエッチングに重要な役割を果たしているかを明らかにしていく予定である。Pt(111)表面上での酸素還元反応については、表面でのステップの影響について研究を行う予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初、PCクラスターのノードを購入して計算を行う予定であったが、平成２６年度はスーパーコンピューターの計算時間を確保することができたため、計算はスパコンを用いて行うことが可能となり、計算はスパコンを用いて行うこととなった。一方、研究が進展したことにより、スタッフ、および、学生が学会で発表を行う必要性が多くなったため、主として旅費として使用するように計画を変更した。さらに、スタッフ、および、学生が計算結果を解析し、可視化、研究のまとめと発表準備を行うためのPC端末を次年度以降購入する必要がある。平成２７年度以降にPC端末の購入と学会参加のための旅費を確保するために、平成２６年度の予算を次年度に使用することとした。
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| 次年度使用額の使用計画 |
順調に出つつある研究成果を学会などで発表するため、スタッフ、および、学生が学会に参加するための旅費として100万円程度確保する。また、計算結果を解析し、可視化、研究のまとめと発表準備を行うためのPC端末を次年度以降購入する。そのため、PC端末をスタッフと学生に計３台購入する費用として50万円程度確保する。そのほか、学生がデータ整理などを行う際の謝金や消耗品、論文投稿料などで50万円程度確保する。
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