PEFC電極触媒表面での解離吸着現象に関する量子・分子動力学的解析

PEFC电极催化剂表面解离吸附现象的量子和分子动力学分析

基本信息

批准号：
17760131
负责人：
徳増崇
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17760131/
关键词：
分子動力学燃料電池電極反応解離確率触媒解離障壁熱運動

项目摘要

近年の地球温暖化問題への対策から、次世代電源として燃料電池への期待が高まっている。とくに固体高分子形燃料電池(PEFC)はその起動の早さ、動作温度の低さから現在最も注目されている。このPEFCでは電極触媒として白金(Pt)を使用しているが、この白金は高価である上に空気極においては高活性ではなく,さらに燃料極においても被毒などの問題を生じるため、燃料電池の高効率化、低コスト化を実現するためにはこのPt表面上での触媒反応のメカニズムを詳細に解析する必要がある。上記の理由により,本研究では触媒としてPtを取り上げ,また燃料電池の触媒反応の中で最も簡単な反応であるH_2の解離吸着現象に注目して解析を行った.計算手法としては,Embedded Atom Method (EAM)を使ったMolecular Dynamics (MD)法を用い,Pt表面上におけるH2の解離吸着現象を解析した.今年度は前年度に構築したシミュレーション手法を用いて様々な条件下における水素の解離確率の計算を行った。その結果、まず表面を構成するPt原子が固定されている系に比べて、T=300[K]程度の熱運動をしている系のほうが解離確率の入射エネルギー依存性に広がりがあることが明らかとなった。またこの原因を詳細に調べた結果、Pt原子が熱運動をすることによって表面のポテンシャルエネルギー面(PES)が劇的に変化し、そのため解離障壁が著しく変化することが原因であることを突き止めた。さらに入射分子の回転状態を変化させて解離確率を計算したところ、入射エネルギーが低い状態では回転エネルギーの低い状態のときには回転エネルギーの増加につれて解離確率が一旦減少し、その後増加に転じることが明らかとなった。これは回転エネルギーが増加するにつれて分子が表面からの束縛を受けにくい状態となり、そのためより低い解離障壁をとる配向になりにくいためであることがわかった。

由于最近针对全球变暖问题的对策，对燃料电池作为下一代电源的期望正在上升。特别是，由于启动速度和低工作温度，固体聚合物燃料电池（PEFC）目前正在受到最大的关注。该PEFC使用铂（PT）作为电催化剂，但是该铂很昂贵，并且在空气电极上的活性不高，并且还会引起诸如燃料电极中毒的问题，因此为了实现高效和燃料电池的成本降低，这对于分析PT表面的催化性机制是必要的。由于上述原因，在这项研究中，PT被视为催化剂，分析的重点是H_2的解离和吸附现象，这是燃料电池中催化反应的最简单反应。作为一种计算方法，使用嵌入的原子方法（EAM）的分子动力学（MD）方法来分析H2在PT表面上H2的解离和吸附现象。今年，上一年构建的仿真方法用于计算各种条件下氢的解离概率。结果，首先揭示了t = 300 [k]的热运动的系统与固定表面构成表面的PT原子相比，离解概率的入射能的依赖性更大。此外，在详细研究了原因之后，我们发现表面的势能表面（PE）由于PT原子的热运动而发生了巨大变化，这导致离解屏障的显着变化。此外，当通过改变入射分子的旋转状态计算解离的概率时，揭示在入射能量低的状态下，当旋转能低时，解离的概率随着旋转能量的增加而降低，然后变成增加。之所以发现这是因为随着旋转能量的增加，分子变得不太容易受到表面限制的影响，因此具有较低解离屏障的方向的可能性较小。