レアメタル代替材料の理論的および計算科学的研究

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レアメタル元素を含まない新規の機能性材料の探索に向けて、コンピューターシミュレーションを実行した。1つ目は、水素解離吸着反応の触媒材料としてのグラフェン様ナノ炭素材料である。前年度の研究で明らかにした孤立8員環欠陥を含むグラフェンに水素分子を近づけるシミュレーションを、第一原理計算を使用して実行し、水素分子が解離吸着するのに必要な活性化エネルギーを求めた。本研究で得られた結果によると、水素分子解離吸着の活性化エネルギーは約2.2eVであり、欠陥のないグラフェンの場合に比べて1eV程度改善していることが分かった。このようなナノ炭素材料が触媒の機能を示すのにはまだ遠いが、格子欠陥を導入することで活性化エネルギーを下げる働きがあることを示唆することができた。2つ目は、熱電材料としての擬1次元ナノ炭素材料である。本研究ではフラーレンポリマーに注目している。擬1次元ナノ炭素材料として有名なカーボンナノチューブは全て6員環で構造を作り、電気・熱共に伝導しやすい物質である。フラーレンポリマーは所々に曲面を持ち、その曲面は炭素の7員環や8員環などから構成されている。このような構造がフォノン散乱を抑制し熱伝導を下げることは期待し、電気伝導、熱伝導、熱電性能指数などの物理係数を理論計算から求めた。熱伝導の計算にフォノンの効果を導入することでより厳密な評価を行うことができた。性能指数の値は、カーボンナノチューブ(10,0)、ピーナッツ型フラーレンポリマー、[2+2]シクロ付加フラーレンポリマーにおいて、それぞれ0.4, 0.9, 0.8程度となり、格子構造の違いによって性能指数に大きな影響が出ていることを明らかにした。