2018 Fiscal Year Annual Research Report
多元系固体イオニクス材料に対する高精度ハイスループット・スクリーニング手法の開発
| Project/Area Number |
17H04948
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
豊浦 和明 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60590172)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 固体イオニクス / プロトン伝導性酸化物 / ハイスループット・スクリーニング |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，多元系固体イオニクス材料に対するハイスループット・スクリーニングの実現に向けて，計算材料科学分野の第一原理電子状態計算と情報科学分野の統計的機械学習を連携させた高速かつ高精度なイオン伝導解析手法の開発を行うことを目的としている．また，本提案手法の有用性を実証するために，中温域で稼働する燃料電池の電解質材料として期待されるプロトン伝導性酸化物をターゲットに無機結晶構造データベース (ICSD) をスクリーニングし，プロトン伝導性未知化合物群を発見することを最終目標とする．
前年度までに，ガウス過程に基づくベイズ最適化と経路探索アルゴリズムを組み合わせることにより，結晶中の伝導キャリアのポテンシャルエネルギー曲面 (PES) において，イオン伝導性の支配領域を選択的に評価する方法論を構築している．さらに，結晶構造の異なる十数種類の酸化物対してプロトンのPES評価を行い，開発手法の汎用性の確認も既に終了済である．本年度は，前年度開発した手法を用いて，実際にICSDデータベースのスクリーニングに着手した．具体的には，燃料電池の電解質材料への応用を念頭に，まず，耐水素還元性および資源量の観点で構成カチオンを絞った（対象系：約2000件）．さらに，これを結晶構造と構成カチオンの価数により分類したこところ，約600種のグループが存在することがわかった．そして，各グループから無作為に1つずつ酸化物を抽出し，開発手法を適用してプロトンのPES評価を進めている．現時点で約200件程度のPES評価が終了し，その中で現行材料より高いプロトン移動度が期待される系が複数見出されている状況である．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現時点で，“高効率な第一原理PES評価手法の確立”および“機結晶構造データベース (ICSD) の整理”が終了しており，その成果をまとめた論文がPhysical Review B誌に掲載されている．また，この手法を用いてICSDに収録されている多数の酸化物のプロトンPES評価を行うことを見据えて，全工程を自動化する計算環境の整備も終了している．現在，研究室保有の計算資源および京都大学学術情報メディアセンターのスーパーコンピューターを用いてPES評価を開始しており，現時点で200構造程度の評価が終了している状況である．この中で，現行材料を超える有望酸化物が複数見つかっている状況であり，計画は順調に進んでいる状況といえる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成31年度からは，前年度に引き続き，ICSDに収録されている膨大数の酸化物を対象にプロトンのPES評価を実施する．研究期間内に評価対象となるすべてのPES評価を実施するために，研究費の大半を計算資源の増強に充てる計画である．また，現実の系は完全結晶ではなく，プロトンを結晶中に導入するために必ずドーパントが存在し，これが伝導を阻害する要因の一つとなり得る．そこで，先のスクリーニングで有望系と考えられる系に対してのみ，ドーパントによるプロトントラッピング効果を定量的に評価する．また，これらのデータは，投稿論文や学会発表で公表するだけでなく，web上で公開することで国民に広く発信することを予定している．
|
Research Products
(4 results)
