2014 Fiscal Year Research-status Report
遺伝子アルゴリズムを基盤とした非経験的な固体触媒構造解明
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26420785
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
谷池 俊明 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 准教授 (50447687)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / 遺伝子アルゴリズム / 非経験的構造決定 / 固体触媒 / ナノ触媒 / 重合触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の計算機や第一原理計算の発展によって複雑な材料の高精度なシミュレーションが可能となった一方、第一原理計算の限界は物理化学的な直感や実験結果に基づいて初期構造を推定する経験的な過程にあった。すなわち、第一原理計算では分子モデルを初期構造として必要とするが、固体触媒に代表される複雑な材料では、取り得る構造の可能性（配向空間）が大きいだけでなく、確からしい分子モデルを物理化学的な直感と経験にのみ基づいて決定することが非常に困難である。本研究の目的は、第一原理計算を組み込んだ遺伝子アルゴリズムを基盤として、固体触媒の形態や表面構造、活性種と担体との界面構造、反応条件における表面構造変化といった鍵情報を完全に非経験的に決定する手段を確立することである。具体的には以下の目標を達成する。
1.プログラムの実装と汎用化：遺伝子アルゴリズムを基盤とした非経験的構造最適化を実践するために、(1)乱数に従いながらも見当違いな構造を排除する効率的な初期構造の生成、(2)密度汎関数計算による構造最適化、(3)最適化された構造群の選別・交叉・変異等による次世代構造群の生成を行う３つのサブルーチンを備えたプログラムを構築する。ベンチマーク系としてAuクラスター（一元系）を用いる。続いて、プログラムを二元系へと拡張し、一般的な固体触媒材料への適用を可能にする。
2.吸着を考慮に入れたプログラムの実装：固体触媒への他成分の吸着は、配位不飽和点の安定化や化学反応を介して触媒の最安定構造を変化させる。一方、遺伝子アルゴリズムを用いた構造最適化において表面への他成分の吸着を取り扱った例はない。プログラムを拡張し、MgCl2への有機ルイス塩基化合物の配位による重合触媒の一次粒子形成過程、ナノ触媒構造の化学環境への動的な応答の解明を行う。
初年度は、原子数の異なるAuクラスターを対象に1で述べたプログラムを完成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
まずは一元系ナノ粒子の非経験的構造最適化を実現するプログラムの完成を目指した。魔法数クラスターとして構造が実験的に規定されているAu20を用いてプログラムのベンチマークを行った。その結果、独立に実行した３本のプログラムにおいて、６世代以内に同一のピラミッド型最安定構造への収束が得られ、プログラムの正常かつ効率的な動作が確認された。続いて、非魔法数であり構造が不明確なAu30を対象として、非経験的構造最適化を実施した。エネルギー的に近接した類似構造が多く、収束までに６０世代を要したが、並列実行した３本のプログラムにおいて、同一のエネルギーと構造を有するクラスターへの収束が得られた。以上のように平成26年度は、一元系ナノ粒子の非経験的構造最適化の実装に成功した。作成したプログラムの特徴を以下に示す。
①予め決められた数の初期構造を乱数を用いて作成する。この際、結合距離・配位数にそれぞれ上・下限を設け、飛び地や過剰に密な部位といった非現実的な初期構造の生成を防いだ。
②全ての構造をGGA PBEを用いた密度汎関数計算によって最適化する。構造最適化を異なるノードで並列実行することで待機時間の短縮を図った。
③構造とエネルギーをデータベースに格納すると共に、エネルギーに基づき構造毎に適合度を割り振る。
④ルーレット法により選択した構造あるいは構造対に対して遺伝子オペレーターを作用させる。交叉にはcut and splice法、変異にはdislocation, compression, twist法を用いた。
⑤遺伝子オペレーターの操作によって生成した構造群の構造最適化を行い、前世代の構造とエネルギーを比較し世代更新を行う。以上の操作を、構造・エネルギーが一定の閾値内で更新されなくなるまで繰り返す。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度には、一元系ナノ粒子の非経験的構造決定のためのプログラムを実装することに成功した。これによって金属ナノ触媒の構造決定が可能となったが、エネルギー最安定な構造が必ずしも高活性な構造と一致するわけではないことに注意する必要があり、準安定構造を考慮することも重要である。一方、対称性の低いAu30では、最安定構造から比較的狭いエネルギー範囲内に多数の準安定構造が存在した。これらの準安定構造は互いに似通ったものが多いため、それぞれの構造の活性を一つ一つ調べるよりは、類似する構造をグループ分類した後、各グループの代表構造の活性を議論すべきと考えられる。そこで平成27年度は、一元系ナノ粒子の準安定構造を構造因子とエネルギーに基づき自動分類する方法論を開発し、Au30を例として金属ナノ触媒の構造活性相関を明らかにする。
上記と並列して、Ziegler-Natta触媒の担体であるMgCl2を例にとり、二元系ナノ粒子の非経験的構造決定用プログラムを実装する。この際、TiCl4やルイス塩基化合物といった他成分の吸着を同時に考慮する。さらに、ナノ粒子の溶媒中での動的構造変化に対応して、溶媒中でのAuクラスターの非経験的構造決定用プログラムも開発する。
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