First-principles design of hydrogen energy materials from quantum modeling of electrons and nuclei

从电子和原子核的量子模型第一性原理设计氢能源材料

• 批准号: 21H01603
• 负责人: 君塚 肇
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01603/
• 关键词: 水素吸蔵・透過; 量子効果; 自由エネルギー地形; 第一原理経路積分解析; レアイベント解析

水素をエネルギー媒体として利用するための材料技術を確立するには，その根本要素である「材料中における水素原子の振る舞い」を原理原則から理解し，材料設計に反映させることが重要である．本研究では申請者らが構築してきた量子論的モデリング手法を発展させることで，計算負荷を大幅に抑えながら，量子効果に由来する水素の特異な挙動を予測的に定量評価できる新規解析手法を構築する．これにより，水素エネルギー材料中の水素の反応・移動過程の自由エネルギー地形の系統的解析を実施し，水素の存在状態ならびに入出反応・移動過程のキネティクスの解明に役立てるとともに，水素透過・吸蔵性能の理論予測モデルを構築することを目指す．本年度は，以下に挙げる課題に取り組み成果を得た．(1)[水素エネルギー材料に対する高精度・高効率な量子論的モデリング手法の構築]　水素の溶解・拡散現象が重要視される種々の体心立方金属を対象に，電子状態計算データに基づく機械学習ポテンシャルを構築した．これにより，電子状態計算の精度を維持しながら従来よりも高効率に当該金属中の水素同位体の拡散係数を定量評価することに成功した．さらに，水素原子核の量子効果が振動特性に与える影響を精密に解析するための新規手法を構築し，基礎的な系を対象に検証を行った．(2)[水素エネルギー材料中の水素の反応・移動過程のキネティクスの解明]　実用水素透過金属膜材料の一つであるB2型PdCu合金を対象に，水素の拡散・捕獲過程におけるエネルギー地形を第一原理的に評価し，水素透過性能を律速する因子の詳細を獲得した．(3)[第一原理データに立脚した水素透過・吸蔵性能の予測モデルの構築]　水素透過・吸蔵材料の典型系であるPd合金を題材に，水素透過・吸蔵特性を記述するためのモデル定式化と第一原理データの整備を進めた．

The principle of "water atom vibration in materials" and the principle of "water atom vibration in materials" are important to understand and reflect the design of materials. This study is aimed at constructing a new analytical method for quantum theory prediction. In this paper, the analysis of the free generation and topography system of water element in the reaction and movement process of water element in the material is carried out, the existence state of water element, the input and output reaction and movement process of water element are analyzed, and the theoretical prediction of water element permeability and absorption performance is constructed. This year, the following topics were selected. (1)[High precision and high efficiency quantum theory construction for water element material solution and dispersion phenomena important for body-centered cubic metal object electronic state calculation basic mechanical learning construction. Therefore, the accuracy of electronic state calculation is maintained, and the dispersion coefficient of water isotope in the metal is quantitatively evaluated successfully. In this paper, the quantum effect of water element nucleus is analyzed in detail, and the new method is constructed, and the basic system is verified. (2)[A study on the mechanism of water element diffusion and capture in water element transmission metal film material B2-type PdCu alloy was carried out based on the first-principle evaluation of water element diffusion and capture process. (3)[The first principle of water permeability and absorption properties prediction and construction] water permeability and absorption materials typical system of Pd alloy theme, water permeability and absorption characteristics description of the first principle of water permeability and absorption characteristics of the development of the first principle.

项目成果

Effects of Excess Cu Atoms on Hydrogen Permeability, Solubility, and Diffusivity in Pd-Cu Alloys with B2-Type Crystal Structures

过量Cu原子对B2型晶体结构Pd-Cu合金氢渗透率、溶解度和扩散率的影响

• DOI: 10.2320/jinstmet.j2022012
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of the Japan Institute of Metals and Materials
• 影响因子: 0.5
• 作者: 三津原 晟弘;湯川 宏;君塚 肇
• 通讯作者: 君塚 肇

SeoulNationalUniversity(韓国)

首尔国立大学（韩国）

実用PdCu合金膜の低温における水素溶解特性と水素拡散性の定量評価

实用PdCu合金薄膜低温氢溶解特性和氢扩散率的定量评价

• 发表时间: 2021
• 作者: 三津原 晟弘;湯川 宏;君塚 肇
• 通讯作者: 君塚 肇

PdCu合金膜の低温における水素透過能定量評価

PdCu合金薄膜低温氢渗透率的定量评价

• 发表时间: 2021
• 作者: 三津原 晟弘;渡邉 晨平;君塚 肇;湯川 宏
• 通讯作者: 湯川 宏

Artificial neural network-based path integral simulations of hydrogen isotope diffusion in palladium

基于人工神经网络的钯中氢同位素扩散路径积分模拟

• DOI: 10.1088/2515-7655/ac7e6b
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Physics: Energy
• 作者: Hajime Kimizuka;Bo Thomsen;Motoyuki Shiga
• 通讯作者: Motoyuki Shiga