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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750699/
• 关键词: 量子化学計算; 二酸化チタン; 二酸化炭素; 吸着; 化学修飾; 電荷移動相互作用; 分極相互作用; 静電相互作用

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。

在这项研究中，提出了一种基于量子化学计算的新表面化学修饰方法。概述如下：（1）将表面和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）确定每个分解的能量项中的哪个是主要的，并进一步增加了主要的能量项以增加吸附能。 (3) When the charge transfer interaction is the dominant energy - Charge transfer from the surface to the gas molecule - Chemical modification at atoms with low electronegativity - Charge transfer from the gas molecule to the surface - When the chemically modified polarization interaction is the dominant energy - At atoms with high electronegativity - At atoms with low hardness of the atoms focused on adsorption of carbon dioxide on the surface of chemically modified titanium具有小原子的原子，根据上述准则对化学修饰的原子，并使用量子化学计算计算吸附能。化学修饰涉及比钛原子更高的电负性钙原子的引入，以及引入比钛原子柔软的铝原子以增加极化相互作用。在这两种情况下，吸附能都增加了，确认了化学修饰指南的有效性。我们还开发了一种计算原子部分电荷的方法，这对于对静电相互作用的定性和定量理解非常重要，这是分解的吸附能之一。该方法将包含目标分子的空间划分为网格，并使用最小二乘方法根据每个网格的电子密度来确定部分电荷。该方法应用于二氧化钛二氧化钛（110）表面的吸附，结果比Mulliken-Charge计算的结果要准确得多。因此，已经发现，使用这种方法的表面总和分子之间的静电相互作用能计算可以是足够的指导。

项目成果

Hideaki Takahashi: "Chemical Modification of Rutile TiO_2(110) Surface by Ab Initio Calcula-tions for the Purpose of CO_2 adsorption"Fluid Phase Equilibria. 194-197. 153-160 (2002)

Hideaki Takahashi：“通过从头算计算对金红石TiO_2(110)表面进行化学改性以实现CO_2吸附”流体相平衡。

Hideaki Takahashi: "Chemical Modification of Rutile TiO_2(110) Surface by Ab Initio Calculations for the Purpose of CO_2 adsorption"Fluid Phase Equilibria. (in press). (2002)

Hideaki Takahashi：“以CO_2吸附为目的，通过从头计算对金红石TiO_2(110)表面进行化学改性”流体相平衡。