固液界面での化学反応を加速するシミュレーション法の開発

开发加速固液界面化学反应的模拟方法

基本信息

批准号：
20K05246
负责人：
尾形修司
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Nagoya Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

密度汎関数理論（DFT）で電子系を扱う第一原理分子動力学（DFT-MD）シミュレーションは，数百原子規模で数ピコ秒程度の経過時間で，様々な反応ダイナミックスに使われ実績を上げてきた．しかし，固液界面において常温で進む皮膜生成反応の場合は，その反応バリアが1 eVオーダーであってマイクロ秒以上の経過時間を要する現象であり，DFT-MDシミュレーションでは再現できないことが通常である．この基本的問題を解決するため，対象系から選んだ少数の反応中心原子間で電子が移動する化学反応プロセスを網羅的にリストし，適切なindexを用いて分類した後に，直接計算と統計的推測を組み合わせて精度良くバリアを求め，統計力学に基づいて1つの反応プロセスを選んで化学反応を人為的に加速する手法を，新たに開発している．2021年度までに，(i) 反応中心原子群内での電子移動のエネルギーバリアを計算する際に隣接３原子から６原子までの範囲で原子群を選ぶように改良した．(ii) 反応中心原子群を特徴づける指紋（fingerprint）を化学ボンドのネットワークマトリックスで表現するように改良した．(iii) 歪などの外部環境によって同一fingerprintでのプロセス同士のエネルギーバリアが変化する様子を，反応中心原子群内の化学ボンド長を指標に選ぶと良く表現できることを利用してKriging法を用いて化学ボンド長から未知のエネルギーバリアを予測するように改良した．2022年度は，Liイオン電池内の負極近傍での皮膜生成反応に対して化学反応加速型DFT-MDシミュレーションを実施し，運用上の問題点を調べた．また，適用対象の１つとなる他の固液界面反応について，鍵となる反応プロセスを高圧にして発現させることで，化学反応加速型DFT-MDシミュレーションの準備を進めた．

第一原理分子动力学（DFT-MD）模拟使用密度函数理论（DFT）处理电子系统，已在多个picseconds的几百个原子学的范围内用于多种反应动力学。但是，对于在固体液体界面下在室温下进行的膜形成反应的情况，反应屏障的阶段为1 eV，需要超过微秒的时间，并且通常不可能在DFT-MD模拟中繁殖。为了解决这个基本问题，我们开发了一种新方法，该方法全面列出了化学反应过程，其中电子在从目标系统中选择的少量反应中心原子之间移动，使用适当的索引对它们进行分类，然后将直接计算和统计推断结合在一起，以高准确地获得障碍，并选择基于统计的机械学对统计机械化的单个反应，以对统计的机械学对辅助化学的化学效率进行选择。到2021财年，（i）在计算反应中心的原子组内电子传递的能量屏障时，进行了改进，以选择3至6个相邻原子的原子组。（ii）改进了反应中心原子组的指纹，以表示化学键的网络矩阵。（iii）使用Kriging方法，我们改善了由于外部环境（例如失真）而导致的相同指纹变化的过程之间的能屏障的方式，可以表达反应中心原子组中化学键长的良好表达方式，并使用KRIGING方法来预测化学键长的不知情能量障碍。在2022财政年度，在锂离子电池中对负电极附近的膜形成反应进行了化学反应加速DFT-MD模拟，并研究了操作问题。此外，我们通过在高压下实施其他固体液体界面反应的键反应过程，为化学反应加速了DFT-MD模拟，这是应用的靶标之一。