量子化学計算による材料表面の化学修飾

使用量子化学计算对材料表面进行化学修饰

基本信息

批准号：
13750699
负责人：
高橋英明
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究において、量子化学計算を基礎とする新しい表面化学修飾法を提案した。その概要は、以下の様である。(1)表面と吸着分子との相互作用を定性的に理解可能な種々の項に分解する。(2)分解されたそれぞれのエネルギー項でどれが支配的であるかを見極め、吸着エネルギーを増大させるために支配的なエネルギー項をさらに増大させる。(3)電荷移動相互作用が支配的なエネルギーである場合・表面から気体分子へ電荷移動が起こる→電気陰性度が小さい原子で化学修飾・気体分子から表面へ電荷移動が起こる→電気陰性度が大きい原子で化学修飾分極相互作用が支配的なエネルギーである場合・原子の固さが小さい原子で化学修飾二酸化チタン(110)面における二酸化炭素の吸着に着目し、上記の指針に基づいて化学修飾し、量子化学計算を用いて吸着エネルギーを計算した。化学修飾は、チタン原子よりも電気陰性度の大きなカルシウム原子の導入と、分極相互作用を増大させるためにチタン原子よりも柔らかいアルミニウム原子の導入を行った。いずれの場合も吸着エネルギーが増大し、化学修飾の指針の妥当性を確認した。また、分解された吸着エネルギーの一つである静電相互作用において、定性的・定量的に理解する上で重要な原子の部分電荷を計算する方法を開発した。この方法は、対象分子を内包する空間をグリッドに区切り、それぞれのグリッドの電子密度を基に、最小二乗法を用いて部分電荷を求める。この方法を二酸化チタン(110)面における二酸化炭素の吸着に適用したところ、Mulliken-chargeによる計算よりもはるかに精度の良い結果を得た。従って、この方法を用いた表面ー気体分子間の静電相互作用エネルギー計算は、十分な指針となり得ることが解った。

在本研究中，我们提出了一种基于量子化学计算的新的表面化学修饰方法。概要如下。（1）将表面与吸附分子之间的相互作用分解为可以定性理解的各种术语。 (2)确定哪一个分解能项占主导地位，进一步增加主导能量项以提高吸附能。 (3) 当电荷转移相互作用为主导能量时・从表面到气体分子发生电荷转移 → 用低电负性原子进行化学修饰・从气体分子到表面发生电荷转移 → 电负性大原子进行化学修饰极化时相互作用是主导能量・用小硬度原子进行化学改性以二氧化钛（110）表面的二氧化碳吸附为中心，根据上述准则进行化学改性，然后通过量子化学计算计算出吸附能。。化学改性包括引入比钛原子具有更高电负性的钙原子，以及引入比钛原子更软的铝原子，以增加极化相互作用。在所有情况下，吸附能均增加，证实了化学改性指南的有效性。我们还开发了一种计算原子部分电荷的方法，这对于定性和定量理解静电相互作用（分解吸附能之一）非常重要。在该方法中，将包含目标分子的空间划分为网格，并根据每个网格的电子密度使用最小二乘法确定部分电荷。当将该方法应用于二氧化钛（110）表面上的二氧化碳吸附时，我们获得了比 Mulliken 电荷计算更准确的结果。因此，发现使用这种方法计算表面和气体分子之间的静电相互作用能可以作为足够的指导。