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Functional Nano-particle Simulation

Authors

Abstract

― �33 ― 機能性ナノ粒子設計シミュレーション プロジェクト責任者 伊藤 聡  株式会社東芝 研究開発センター 機能材料ラボラトリー 著 者 吉田 孝史* �、相賀 史彦* �、梅 武* �、中野 義彦* �、伊藤 聡* �、数納 広哉* 2、西川 憲明* 2 * � 株式会社東芝 研究開発センター 機能材料ラボラトリー * 2 独立行政法人海洋研究開発機構 横浜研究所 利用施設: 独立行政法人海洋研究開発機構 地球シミュレータ 利用期間: 平成 �8 年 4 月 � 日~平成 �9 年 3 月 3� 日 アブストラクト  触媒として産業応用上重要な遷移金属ナノ粒子の基礎特性の解析を行った。白金系触媒との比較の 意味で、ルテニウム(Ru)を取り上げ、表面への酸素分子の吸着プロセスと酸化初期過程、部分酸化 されたルテニウム表面での吸着プロセスにおける遷移金属置換効果を第一原理分子動力学シミュレー ションによって解析した。地球シミュレータを用いることで、以上の現象における化学的傾向を明ら かにすることが可能となった。また SPring-8 との併用利用により効果的な知見探索が可能であるこ とがわかった。このような知見をさらに蓄積することで、産業応用上重要な材料の開発が加速される ことが期待される。 キーワード: 金属ナノ粒子、触媒反応、第一原理分子動力学手法、元素置換効果 1.はじめに  ナノ粒子はその母相がマクロなサイズのときに示す物性とは大きく異なる性質を示すことがあり、 燃料電池の高性能触媒や高密度磁気記録媒体の新規素材として注目を集めている。とくに最近では分 析技術が進んできており、nm スケールのさまざまな情報がえられること、このスケールで構造制御 することが可能になりつつあることによって、ナノ粒子の産業応用に関する研究開発が進んでいる。 一方、地球シミュレータを活用することによって nm スケールの物性解析を第一原理的に行うことが できるので、最先端の分析装置と地球シミュレータを組み合わせることによって、これまで手探りで 進めてきた材料開発から得たい機能に対して、組成や構造を絞り込んで開発を進めることが可能と なってきた。  本報告書では 3 ヵ年計画の機能性ナノ粒子設計シミュレーションの � 年目として 2006 年度に行っ た燃料電池の高性能触媒開発における実施例について報告する。ここでもっとも代表的な触媒は白金 触媒であるが、小型長寿命の燃料電池の実用化には高性能触媒の開発が欠かせない。白金よりも高性 能なものとして PtRu 触媒が知られている。本プロジェクトの共同研究者らが併行して SPring-8 に よる XAFS 解析を行ったところ、PtRu 系触媒表面の Ru 原子は酸化物状態として存在する比率が高 いことが示された [�]。またこのような Ru 酸化物(RuO2)が触媒反応に対して重要な役割を果たすこ ― �34 ― とが Scheffler らによって提唱されている [2,3,4]。更なる高性能化のひとつは多元系への拡張である。 そのために PtRu 合金触媒による酸化反応、特に表面 Ru 酸化物に関する知見の重要性が高まるもの と考え、その構造と反応性の関係を明らかにするために、Ru(000�) 清浄表面への酸素分子吸着プロス を解析することによって部分酸化過程を検討し、次に部分酸化された Ru 表面に対する CO 吸着プロ セスを解析した。とくに後者においては Ru 原子の一部を他の遷移金属元素で置換することによって 得られる化学的傾向を検討し、反応性を議論する手がかりを得ることとした。 2.計算手法  本プロジェクトでは地球シミュレータへのプログラム移植作業の効率化を考慮し、第一原理分子動 力学シミュレーションプログラム PHASE ver. �.00 を用いた。これは文部科学省の革新的ソフトウ エア開発プロジェクト(プロジェクトリーダー:加藤千幸東大生研教授)の一環として開発されてい るナノシミュレーションプログラム(サブリーダー:大野隆央 NIMS 計算科学センター長)におい て、200� 年度中に地球シミュレータへの基本的な移植作業を終えたものであり、L 系での実行に支 障のないことが保証されていたためである。また PHASE は機能的にも他の第一原理分子動力学シ ミュレーションプログラム(VASP、PWscf、CASTEP など)に対して遜色がない。以下の計算で は交換・相関相互作用の汎函数として PBE96 を用い、擬ポテンシャル

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