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．

第一性原理分子动力学 (DFT-MD) 模拟使用密度泛函理论 (DFT) 处理电子系统，在数百个原子的规模上只需几皮秒，并已用于各种反应动力学，并拥有良好的记录我已经提出了。然而，在室温下在固液界面进行成膜反应的情况下，反应势垒约为1eV，并且经过的时间超过1微秒，这种现象通常无法通过DFT-MD 模拟．为了解决这个根本问题，我们全面列出了从目标系统中选出的少量反应中心原子之间电子移动的化学反应过程，使用适当的指标对其进行分类，然后进行直接计算和统计分析。正在开发一种新方法，通过结合猜测来准确确定障碍，并通过基于统计力学选择一个反应过程来人为加速化学反应。到 2021 年，(i) 在计算反应中心原子团内电子转移的能垒时，可以选择 3 至 6 个相邻原子范围内的原子团； (ii) 表征反应中心原子团的指纹已得到改进，使其可以表示为化学键的网络矩阵。 (iii)利用克里金法，我们利用了这样的事实：通过选择反应中心原子团内的化学键长度，可以很好地表达同一指纹中的过程之间的能垒由于外部环境（例如应变）而发生的变化作为指数进行改进，以根据化学键长度预测未知的能量势垒。 2022财年，我们对锂离子电池负极附近的成膜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，对于其他固液界面反应，这将是适用的目标之一，通过开发高压下的关键反应过程，为化学反应加速DFT-MD模拟做好准备。