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

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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．