ナノ構造化グラファイト中の水素の動的挙動に関する数値シミュレーション-第一原理・古典融合型分子動力学法-

纳米结构石墨中氢动态行为的数值模拟-第一性原理/经典组合分子动力学方法-

• 批准号: 14740237
• 负责人: 下條 冬樹
• 金额: $ 1.92万
• 依托单位: Kumamoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14740237/
• 关键词: ナノ構造; グラファイト; 水素; 刃状転位; 第一原理計算; 分子動力学法; 理論; シミュレーション

前年度に引き続き、有限温度での第一原理・古典融合型分子動力学シミュレーションを行い、ナノ構造化グラファイト中の水素の挙動を調べた。特に、本年度では脱水素化のミクロな機構に注目して研究を遂行した。酸素燃焼水素定量分析などの実験によると、ナノ構造化グラファイト中での脱水素化過程の特徴は、昇温過程において、800Kと1000K付近の二つの温度に水素放出ピークが存在することである。ナノ構造化グラファイト中には、グラファイト面の端にある炭素原子と強く結合している水素と、炭素原子とは結合せずに分子状態にある水素が存在する。本研究により、グラファイト内での分子状水素の易動度は非常に高いことがわかった。つまり、昇温により分子状水素は比較的容易に拡散・脱離し、これが低温側(800K)での水素放出ピークを与えていると考えられる。一方、高温側(1000K)の水素放出ピークを、炭素原子と強く結合している水素に起因するとすぐに結論付けることはできない。炭素-水素の結合エネルギー、反応過程のエネルギー障壁はeV程度であり、実験的に本素放出が観測されている温度領域では、炭素-水素の締合が切れるとは考えられないからである。そこで、脱水素化過程には欠陥構造の温度変化が直接に関係すると予測し、ナノ構造化グラファイトの再結晶化過程を取り入れてシミュレーションを行った。その結果、グラファイト面の二つの端が繋がり再グラファイト化する際に、炭素と結合していた水素が分子を形成する形で脱離することが明らかになった。このような再結晶化による脱水素化過程が、高温側(1000K)の水素放出ピークを与えていると考えられる。

从上一年开始，进行了有限温度下的第一原理和经典的融合分子动力学模拟，以研究纳米结构石墨中氢的行为。特别是，今年我们进行了研究，重点是脱氢微机理。根据诸如氧气燃烧氢定量分析之类的实验，纳米结构石墨中脱氢过程的特征是，在温度升高过程中，氢释放峰在两个温度左右存在于800k和1000k的两个温度下。在纳米结构石墨中，氢与石墨表面边缘的碳原子强烈键合，氢处于分子状态，而无需与碳原子键合。这项研究表明，石墨中分子氢的迁移率很高。换句话说，由于温度升高，分子氢会相对容易扩散和解吸，这被认为在低温侧（800K）提供了氢释放峰。另一方面，不能立即得出结论，高温侧（1000k）上的氢释放峰是由于氢与碳原子强烈键合。这是因为碳氢键能和反应过程的能屏障与EV有关，并且在经过实验观察到主要元素发射的温度范围内，不认为碳 - 氧化碳关闭会被损坏。因此，我们预测缺陷结构的温度变化将与脱氢过程直接相关，并进行了模拟，并结合了纳米结构石墨的重结晶过程。结果，揭示了当石墨表面的两端连接并重新刻板的时，氢以分子的形式粘合到碳解剖。据信，通过重结晶的脱氢过程使氢释放峰在高温方面（1000k）。

项目成果

P.S.Branicio: "Structural, Mechanical, and Vibrational Properties of Ca_<1-x>In_xAs Alloys : A Molecular Dynamics Study"Applied Physics Letters. 82. 1057-1059 (2003)

P.S.Branicio：“Ca_<1-x>In_xAs 合金的结构、机械和振动特性：分子动力学研究”应用物理快报。

下條冬樹: "Bonding Properties of Liquid Tellurium under Pressure : A Maximally Localized Wannier Function Approach with Ultrasoft Pseudopotentials"Journal of the Physical Society of Japan. 72. 2417-2420 (2003)

Fuyuki Shimojo：“压力下液态碲的结合特性：采用超软赝势的最大局域 Wannier 函数方法”日本物理学会杂志 72. 2417-2420 (2003)。

原田晶子: "Dynamic Properties of Disordered Phases of Carbon by an Empirical Potential : Stringent Tests toward Hybrid Approach with Density-Functional Theory"Journal of the Physical Society of Japan. 72(掲載決定). (2003)

Akiko Harada：“基于经验势的碳无序相的动态特性：对密度泛函理论混合方法的严格测试”，日本物理学会杂志 72（2003 年出版）。

原田晶子: "Dynamic Properties of Disordered Phases of Carbon by an Empirical Potential : Stringent Tests toward Hybrid Approach with Density-Functional Theory"Journal of the Physical Society of Japan. 72. 822-828 (2003)

Akiko Harada：“经验势的碳无序相的动态特性：对密度泛函理论混合方法的严格测试”日本物理学会杂志 72. 822-828 (2003)。

下條冬樹: "Ab initio molecular-dynamics simulations of anomalous structural change in liquid tellurium under pressure"Journal of the Physical Society of Japan. 72. 2822-2828 (2003)

Fuyuki Shimojo：“从头开始分子动力学模拟液态碲在压力下的异常结构变化”日本物理学会杂志 72. 2822-2828 (2003)。