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本研究では、我々が開発している大規模第一原理DFT計算プログラムCONQUESTを用いて、ナノサイズの金属触媒粒子への分子の吸着状態における構造決定や局所的な安定性、電子状態の解析に取り組んだ。高効率・安全・低環境負荷な触媒として近年注目を集めている金ナノ粒子触媒に関して、試料班の満留准教授(阪大)との共同研究のもと、金ナノ粒子の触媒反応における吸着分子の影響や反応性のサイト依存性の解析を目指した。
当該年度では、前年度に得られたAuナノ粒子の安定構造にO2分子を吸着させ、安定構造と電子状態を解析した。その結果、Auナノ粒子単独ではAu表面が負に帯電しているが、そこへO2分子が吸着するとAuからO2分子への弱い電子移動が起きることが分かった。特に、O2分子近傍のAuナノ粒子表面の構造が大きく変わり、局所的に大きく正に帯電するAu原子が生じることが示された。次に、正に帯電したAu原子近傍にシラン分子を吸着させたところ、他のサイトに吸着した場合と比べてSi-H間距離が大きく伸び、H原子が解離しやすくなることが示唆された。以上の結果から、O2が吸着することによってAuナノ粒子表面が局所的に構造緩和し、局所的に正に帯電することでシラン化合物の酸化反応を活性化するというメカニズムを提案した。
また、当該年度では、指定したエネルギー範囲内の一電子軌道のみを効率よく計算できる櫻井杉浦法とCONQUESTを組み合わせ、大規模系の効率的な電子状態解析を可能にした。この手法により、数nmサイズの表面のSTM像シミュレーションや、数十万原子を含む大規模表面上の3次元ナノ構造の詳細な電子状態解析が可能となった。また、本研究では、理論班の森川教授(阪大)らと連携し、反応エネルギー解析のためのBlue-moonアンサンブル法のCONQUESTへの導入を行い、大規模系の反応エネルギー解析を可能にした。
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