JP2002113370A - 触媒構造の設計方法 - Google Patents
触媒構造の設計方法Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 反応分子を含めた触媒系のエネルギーを量子
力学に基づく計算によって求め、それにより高い効率で
最適触媒構造を予測する。 【解決手段】 主触媒元素と他の少なくとも１種の元素
を含むモデル触媒を決定する手段、前記モデル触媒の最
安定構造及びその最安定構造の内部エネルギーを算出す
る手段、前記モデル触媒との反応を検討すべき反応分子
の内部エネルギーを算出する手段、前記モデル触媒と前
記反応分子との起こり得る各吸着構造を決定する手段、
及び前記各吸着構造の最安定構造及びその最安定構造の
内部エネルギーを算出する手段、を用いて前記反応分子
の各吸着構造における吸着エネルギーを算出し、その算
出された各吸着エネルギーを比較することにより最適触
媒構造を予測することを特徴とする触媒構造の設計方法
である。
力学に基づく計算によって求め、それにより高い効率で
最適触媒構造を予測する。 【解決手段】 主触媒元素と他の少なくとも１種の元素
を含むモデル触媒を決定する手段、前記モデル触媒の最
安定構造及びその最安定構造の内部エネルギーを算出す
る手段、前記モデル触媒との反応を検討すべき反応分子
の内部エネルギーを算出する手段、前記モデル触媒と前
記反応分子との起こり得る各吸着構造を決定する手段、
及び前記各吸着構造の最安定構造及びその最安定構造の
内部エネルギーを算出する手段、を用いて前記反応分子
の各吸着構造における吸着エネルギーを算出し、その算
出された各吸着エネルギーを比較することにより最適触
媒構造を予測することを特徴とする触媒構造の設計方法
である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、最適触媒構造を求
める方法、より詳しくは、反応分子の触媒への吸着エネ
ルギーを求めることにより最適触媒構造を予測する方法
に関する。
める方法、より詳しくは、反応分子の触媒への吸着エネ
ルギーを求めることにより最適触媒構造を予測する方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】特定の化学種による触媒被毒の少ない触
媒構造を設計する、あるいは、特定の化学種の化学反応
を促進する触媒構造を設計するには、目的とする触媒作
用に対して可能性があると予想される触媒構造をスクリ
ーニングし、それらの触媒構造の触媒作用を実験的に確
認する手法が一般的である。しかしながら、こうした触
媒構造のスクリーニングは、多くは経験に基づくため一
般に予測効率が低く、実際には、極めて長期間で多大の
労力を要する膨大な試行錯誤を経た後に触媒構造が決定
されるのが通常である。
媒構造を設計する、あるいは、特定の化学種の化学反応
を促進する触媒構造を設計するには、目的とする触媒作
用に対して可能性があると予想される触媒構造をスクリ
ーニングし、それらの触媒構造の触媒作用を実験的に確
認する手法が一般的である。しかしながら、こうした触
媒構造のスクリーニングは、多くは経験に基づくため一
般に予測効率が低く、実際には、極めて長期間で多大の
労力を要する膨大な試行錯誤を経た後に触媒構造が決定
されるのが通常である。
【０００３】このため、触媒の設計を効率的に行うべ
く、特開平１０−２１８９２４号、特開平１０−２１８
９２５号、特開平１０−２１８９３４号、特開平１０−
３２６２６９号公報に、計算により触媒構造を決定する
手法が記載されている。
く、特開平１０−２１８９２４号、特開平１０−２１８
９２５号、特開平１０−２１８９３４号、特開平１０−
３２６２６９号公報に、計算により触媒構造を決定する
手法が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの特許
出願においては、特定の触媒の最安定構造が、量子力学
又は分子運動学に基づいて計算されてものの、反応分子
を含めた最安定構造や最適エネルギーは考慮されていな
い。したがって、本発明は、計算手法による触媒構造の
予測精度を一層高めるべく、反応分子を含めた触媒系の
エネルギーを量子力学に基づく計算によって求め、それ
により高い効率で最適触媒構造を予測することを目的と
する。
出願においては、特定の触媒の最安定構造が、量子力学
又は分子運動学に基づいて計算されてものの、反応分子
を含めた最安定構造や最適エネルギーは考慮されていな
い。したがって、本発明は、計算手法による触媒構造の
予測精度を一層高めるべく、反応分子を含めた触媒系の
エネルギーを量子力学に基づく計算によって求め、それ
により高い効率で最適触媒構造を予測することを目的と
する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、主触媒元素
と他の少なくとも１種の元素を含むモデル触媒を決定す
る手段、前記モデル触媒の最安定構造及びその最安定構
造の内部エネルギーを算出する手段、前記モデル触媒と
の反応を検討すべき反応分子の内部エネルギーを算出す
る手段、前記モデル触媒と前記反応分子との起こり得る
各吸着構造を決定する手段、並びに前記各吸着構造の最
安定構造及びその最安定構造の内部エネルギーを算出す
る手段、を用いて前記反応分子の各吸着構造における吸
着エネルギーを算出し、その算出された各吸着エネルギ
ーを比較することにより最適触媒構造を予測することを
特徴とする触媒構造の設計方法によって達成される。
と他の少なくとも１種の元素を含むモデル触媒を決定す
る手段、前記モデル触媒の最安定構造及びその最安定構
造の内部エネルギーを算出する手段、前記モデル触媒と
の反応を検討すべき反応分子の内部エネルギーを算出す
る手段、前記モデル触媒と前記反応分子との起こり得る
各吸着構造を決定する手段、並びに前記各吸着構造の最
安定構造及びその最安定構造の内部エネルギーを算出す
る手段、を用いて前記反応分子の各吸着構造における吸
着エネルギーを算出し、その算出された各吸着エネルギ
ーを比較することにより最適触媒構造を予測することを
特徴とする触媒構造の設計方法によって達成される。
【０００６】即ち、本発明の触媒構造の設計方法では、
可能性があると考えられる数多くの触媒構造について、
触媒、反応分子、及び触媒と反応分子を含む全系の各々
のエネルギーを量子力学計算に基づく精密計算により求
め、それにより、触媒に反応分子が吸着するときのエネ
ルギーを算出する。そして、その数多くの触媒構造につ
いて、各々の算出された吸着エネルギーを比較する。
可能性があると考えられる数多くの触媒構造について、
触媒、反応分子、及び触媒と反応分子を含む全系の各々
のエネルギーを量子力学計算に基づく精密計算により求
め、それにより、触媒に反応分子が吸着するときのエネ
ルギーを算出する。そして、その数多くの触媒構造につ
いて、各々の算出された吸着エネルギーを比較する。
【０００７】この吸着エネルギー値が高いことは、反応
分子が触媒に吸着し難い又は脱離し易いことに対応する
はずである。したがって、可能性があると考えられる数
多くの触媒構造から、反応分子による触媒被毒が生じ難
い触媒構造を予測することができる。一方、この吸着エ
ネルギー値が低いことは、反応分子が触媒に吸着し易い
又は脱離し難いことに対応するはずである。したがっ
て、可能性があると考えられる数多くの触媒構造から、
反応分子への触媒作用を及ぼし易い触媒構造を予測する
ことができる。
分子が触媒に吸着し難い又は脱離し易いことに対応する
はずである。したがって、可能性があると考えられる数
多くの触媒構造から、反応分子による触媒被毒が生じ難
い触媒構造を予測することができる。一方、この吸着エ
ネルギー値が低いことは、反応分子が触媒に吸着し易い
又は脱離し難いことに対応するはずである。したがっ
て、可能性があると考えられる数多くの触媒構造から、
反応分子への触媒作用を及ぼし易い触媒構造を予測する
ことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の方法は、主触媒元素と他
の少なくとも１種の元素を含むモデル触媒を決定する手
段を用いる。ここで、「主触媒元素」は、目的とする触
媒反応に最も有効であることが見出されている元素を選
択することが好ましく、例えば、燃料電池の電極触媒で
あれば白金等、自動車排気ガスの浄化用触媒であれば、
白金、ロジウム、パラジウム等である。このモデル触媒
には、かかる主触媒元素に、少なくとも１種の他の元素
（以下、「付加元素」と称する。）が組み合わされる。
この付加元素は、好ましくは、主触媒元素と固溶体を形
成する元素が選定され、例えば、白金が主触媒元素であ
れば、付加元素は、白金以外の貴金属又は遷移金属等か
ら選択されることができる。
の少なくとも１種の元素を含むモデル触媒を決定する手
段を用いる。ここで、「主触媒元素」は、目的とする触
媒反応に最も有効であることが見出されている元素を選
択することが好ましく、例えば、燃料電池の電極触媒で
あれば白金等、自動車排気ガスの浄化用触媒であれば、
白金、ロジウム、パラジウム等である。このモデル触媒
には、かかる主触媒元素に、少なくとも１種の他の元素
（以下、「付加元素」と称する。）が組み合わされる。
この付加元素は、好ましくは、主触媒元素と固溶体を形
成する元素が選定され、例えば、白金が主触媒元素であ
れば、付加元素は、白金以外の貴金属又は遷移金属等か
ら選択されることができる。
【０００９】また、本発明の方法は、上記のモデル触媒
の最安定構造及びその構造の内部エネルギーを計算する
手段を用いる。この手段においては、モデル触媒を構成
する元素を、最少構成単位にして空間に配置した条件
で、量子化学計算を用いた精密計算により、モデル触媒
の最安定構造及びその構造の内部エネルギーを求めるこ
とが簡便な好ましい態様である。ここで、計算上の初期
値としては、計算が妥当に収束するように、原子半径に
は標準値を用いることが好ましく、また、内部エネルギ
ーの基準は、モデル触媒を構成する原子核及び考慮して
いる電子が無限遠の位置に存在している状態とするのが
好ましい。
の最安定構造及びその構造の内部エネルギーを計算する
手段を用いる。この手段においては、モデル触媒を構成
する元素を、最少構成単位にして空間に配置した条件
で、量子化学計算を用いた精密計算により、モデル触媒
の最安定構造及びその構造の内部エネルギーを求めるこ
とが簡便な好ましい態様である。ここで、計算上の初期
値としては、計算が妥当に収束するように、原子半径に
は標準値を用いることが好ましく、また、内部エネルギ
ーの基準は、モデル触媒を構成する原子核及び考慮して
いる電子が無限遠の位置に存在している状態とするのが
好ましい。
【００１０】この量子化学計算手法によるモデル触媒の
原子系の最安定構造の計算においては、例えば、密度汎
関数法（著書「"Density-Functional Theory of Atoms
andMolecules", by R.G. Parr and W. Young, Oxford U
niversity Press, Inc.（邦題“原子・分子の密度汎関
数法”R.G.パール、W.ヤング著、狩野覚、関元、吉田元
二監訳、シュプリンガーフェアラーク東京」等を参照さ
れたい。）を用い、複数の原子系の有するエネルギーを
局所密度近似又は一般化勾配近似の下で計算することが
できる。ここで、計算精度を上げるため、原子番号が大
きい原子については相対論的効果を考慮し、また、Sing
let, Doublet, Triplet, Quartet等のとり得る全てのス
ピン状態についてこの計算を行うことが好ましい。
原子系の最安定構造の計算においては、例えば、密度汎
関数法（著書「"Density-Functional Theory of Atoms
andMolecules", by R.G. Parr and W. Young, Oxford U
niversity Press, Inc.（邦題“原子・分子の密度汎関
数法”R.G.パール、W.ヤング著、狩野覚、関元、吉田元
二監訳、シュプリンガーフェアラーク東京」等を参照さ
れたい。）を用い、複数の原子系の有するエネルギーを
局所密度近似又は一般化勾配近似の下で計算することが
できる。ここで、計算精度を上げるため、原子番号が大
きい原子については相対論的効果を考慮し、また、Sing
let, Doublet, Triplet, Quartet等のとり得る全てのス
ピン状態についてこの計算を行うことが好ましい。
【００１１】この密度汎関数法による具体的な計算は、
以下のようにして行うのが好ましい態様である。即ち、
この計算を先ず上記の初期条件について行い、その条件
下の内部エネルギーを原子座標の関数として表す。次い
で、その内部エネルギーの座標微分量として原子間の力
を算出し、その力にしたがって、原子間の距離に微少量
の変位を加える。
以下のようにして行うのが好ましい態様である。即ち、
この計算を先ず上記の初期条件について行い、その条件
下の内部エネルギーを原子座標の関数として表す。次い
で、その内部エネルギーの座標微分量として原子間の力
を算出し、その力にしたがって、原子間の距離に微少量
の変位を加える。
【００１２】次いで、この変位を加えた条件で再度上記
の計算を行い、内部エネルギーを原子座標の関数として
表す。初期条件のときと同様にして、内部エネルギーの
座標微分量として原子間の力を算出し、その力にしたが
って、原子間の距離に微少量の変位を加える。同様にし
て、分子間の距離に変位を加えた条件の設定と、その条
件下での内部エネルギーの計算を一定の収束水準になる
まで繰り返す。この繰り返し計算により、最小の内部エ
ネルギーが算出されると同時に、それ対応する構成原子
の距離、即ち、触媒の最安定構造を把握することができ
る。
の計算を行い、内部エネルギーを原子座標の関数として
表す。初期条件のときと同様にして、内部エネルギーの
座標微分量として原子間の力を算出し、その力にしたが
って、原子間の距離に微少量の変位を加える。同様にし
て、分子間の距離に変位を加えた条件の設定と、その条
件下での内部エネルギーの計算を一定の収束水準になる
まで繰り返す。この繰り返し計算により、最小の内部エ
ネルギーが算出されると同時に、それ対応する構成原子
の距離、即ち、触媒の最安定構造を把握することができ
る。
【００１３】また、本発明の方法は、上記のモデル触媒
との反応を検討すべき反応分子の内部エネルギーを算出
する手段を用いる。この反応分子は、例えば、燃料電池
の電極触媒をモデル触媒としたならば、電極触媒の触媒
毒が問題とされているＣＯを選択し、また、モデル触媒
が自動車排気ガスの浄化用触媒であれば、やはり触媒毒
が問題とされているＳＯX を選択し、あるいは、浄化反
応が促進されるべきＮＯX 、ＨＣ（炭化水素類）、ＣＯ
を選択することができる。
との反応を検討すべき反応分子の内部エネルギーを算出
する手段を用いる。この反応分子は、例えば、燃料電池
の電極触媒をモデル触媒としたならば、電極触媒の触媒
毒が問題とされているＣＯを選択し、また、モデル触媒
が自動車排気ガスの浄化用触媒であれば、やはり触媒毒
が問題とされているＳＯX を選択し、あるいは、浄化反
応が促進されるべきＮＯX 、ＨＣ（炭化水素類）、ＣＯ
を選択することができる。
【００１４】この反応分子の内部エネルギーの算出は、
モデル触媒と同様に密度汎関数法に基づいて、Singlet,
Doublet, Triplet 等のとり得る全てのスピン状態を考
慮した繰り返し計算により行うことが好ましい態様であ
る。そして、反応分子を構成する原子の、最小の内部エ
ネルギーに対応する原子間距離を求めることで反応分子
の最安定構造を把握することができる。なお、密度汎関
数法の関数は、モデル触媒と反応分子とで、それぞれ適
切に選択することが好ましい。
モデル触媒と同様に密度汎関数法に基づいて、Singlet,
Doublet, Triplet 等のとり得る全てのスピン状態を考
慮した繰り返し計算により行うことが好ましい態様であ
る。そして、反応分子を構成する原子の、最小の内部エ
ネルギーに対応する原子間距離を求めることで反応分子
の最安定構造を把握することができる。なお、密度汎関
数法の関数は、モデル触媒と反応分子とで、それぞれ適
切に選択することが好ましい。
【００１５】このようにして、モデル触媒と反応分子の
それぞれの最安定構造と内部エネルギーを求めた後、モ
デル触媒と反応分子との起こり得る吸着構造を決定する
手段を用いる。ここでは、実験的に確認された吸着構造
を含め、反応分子を構成する原子の電気陰性度等を考慮
しながら、あらゆる可能性のある吸着構造を挙げること
が好ましい。例えば、モデル触媒で２原子系であれば、
吸着構造は、主触媒元素の近傍、付加元素の近傍、又は
主触媒元素と付加元素の中間にそれぞれ反応分子が位置
する構造を挙げることができる。
それぞれの最安定構造と内部エネルギーを求めた後、モ
デル触媒と反応分子との起こり得る吸着構造を決定する
手段を用いる。ここでは、実験的に確認された吸着構造
を含め、反応分子を構成する原子の電気陰性度等を考慮
しながら、あらゆる可能性のある吸着構造を挙げること
が好ましい。例えば、モデル触媒で２原子系であれば、
吸着構造は、主触媒元素の近傍、付加元素の近傍、又は
主触媒元素と付加元素の中間にそれぞれ反応分子が位置
する構造を挙げることができる。
【００１６】次いで、これらの各吸着構造について、上
記のモデル触媒と反応分子について最安定構造と内部エ
ネルギーを求めた計算と同様にして、モデル触媒と反応
分子が組み合わされた全体の系について、最安定構造と
内部エネルギーを求める。ここでも、全体の系につい
て、Singlet, Doublet, Triplet 等のとり得る全てのス
ピン状態を考慮した繰り返し計算を行うことが好まし
い。
記のモデル触媒と反応分子について最安定構造と内部エ
ネルギーを求めた計算と同様にして、モデル触媒と反応
分子が組み合わされた全体の系について、最安定構造と
内部エネルギーを求める。ここでも、全体の系につい
て、Singlet, Doublet, Triplet 等のとり得る全てのス
ピン状態を考慮した繰り返し計算を行うことが好まし
い。
【００１７】このようにして求めたモデル触媒の内部エ
ネルギー（ＥM ）、反応分子の内部エネルギー
（ＥR ）、及び全体の系の内部エネルギー（ＥM+R ）か
ら、下記の式により、反応分子がモデル触媒に吸着する
ときの吸着エネルギー（Ｅads ）を算出する。 Ｅads ＝ ＥM+R −（ＥM ＋ＥR ）
ネルギー（ＥM ）、反応分子の内部エネルギー
（ＥR ）、及び全体の系の内部エネルギー（ＥM+R ）か
ら、下記の式により、反応分子がモデル触媒に吸着する
ときの吸着エネルギー（Ｅads ）を算出する。 Ｅads ＝ ＥM+R −（ＥM ＋ＥR ）
【００１８】以上の方法のよる計算を、付加元素を変え
て行い、種々の付加元素について吸着エネルギー（Ｅ
ads ）を算出する。そして、それらの吸着エネルギーを
比較することにより、触媒への反応分子の吸着性の難易
を判断することができる。
て行い、種々の付加元素について吸着エネルギー（Ｅ
ads ）を算出する。そして、それらの吸着エネルギーを
比較することにより、触媒への反応分子の吸着性の難易
を判断することができる。
【００１９】
【実施例】燃料電池の触媒電極で問題とされている白金
触媒のＣＯ被毒を改良する目的で、主触媒元素を白金と
し、付加元素は、パラジウム、モリブデン、ロジウム、
ルテニウムから１つを選択してモデル触媒を構成し、反
応分子はＣＯとして上記の計算を行った。また、比較の
ため、付加元素を白金としたモデル触媒についても計算
を行った。
触媒のＣＯ被毒を改良する目的で、主触媒元素を白金と
し、付加元素は、パラジウム、モリブデン、ロジウム、
ルテニウムから１つを選択してモデル触媒を構成し、反
応分子はＣＯとして上記の計算を行った。また、比較の
ため、付加元素を白金としたモデル触媒についても計算
を行った。
【００２０】これらのモデル触媒について、主触媒元素
と付加元素の２つの原子を空間に配置した系で量子力学
計算を行った。ここで、計算上の初期値として、主触媒
元素と付加元素の原子間距離は、標準状態（２０℃の
０．１ＭＰａ）での各原子半径の和を用い、内部エネル
ギーの基準は、モデル触媒を構成する原子核及び考慮し
ている電子が無限遠の位置に存在している状態とした。
と付加元素の２つの原子を空間に配置した系で量子力学
計算を行った。ここで、計算上の初期値として、主触媒
元素と付加元素の原子間距離は、標準状態（２０℃の
０．１ＭＰａ）での各原子半径の和を用い、内部エネル
ギーの基準は、モデル触媒を構成する原子核及び考慮し
ている電子が無限遠の位置に存在している状態とした。
【００２１】量子化学計算は、密度汎関数法に基づいた
局所密度近似による Vosko-Wilk-Nusairの提案した汎関
数（文献「S.H. Vosko, L. Wilk and M. Nusair, Cana
d. J.Phys. 58 (1980) 1200 」を参照されたい。）を用
い、計算プログラムは「"ADFUser's Guide ADF Program
System Release 1999.02" by Scientific Computing &
Modeling NV 」を用いた。モデル触媒の原子に属する
電子の軌道を表す基底関数としては double zeta関数を
用いた。また、Pauli の定式化にしたがって相対論的効
果を考慮した補正を行い、Singlet, Doublet, Triplet,
Quartet等のとり得る全てのスピン状態についてこの計
算を行った。
局所密度近似による Vosko-Wilk-Nusairの提案した汎関
数（文献「S.H. Vosko, L. Wilk and M. Nusair, Cana
d. J.Phys. 58 (1980) 1200 」を参照されたい。）を用
い、計算プログラムは「"ADFUser's Guide ADF Program
System Release 1999.02" by Scientific Computing &
Modeling NV 」を用いた。モデル触媒の原子に属する
電子の軌道を表す基底関数としては double zeta関数を
用いた。また、Pauli の定式化にしたがって相対論的効
果を考慮した補正を行い、Singlet, Doublet, Triplet,
Quartet等のとり得る全てのスピン状態についてこの計
算を行った。
【００２２】このようにして得られた内部エネルギー
を、原子座標の関数形に表し、その内部エネルギーの微
分量として力を算出し、その力にしたがってモデル触媒
を構成する原子に微少の変位を加えた。そして、繰り返
しの最初に戻り、再び内部エネルギーの計算を行った。
以上の繰り返し計算の中で、前回の繰り返し計算の内部
エネルギーと今回の内部エネルギーとの差が１．０×１
０-5原子単位未満となったとき、２原子からなるクラス
ター構造が最安定構造であると判断した。そして、この
触媒構造の最適化後に一般化密度勾配近似法レベルでの
内部エネルギーを算出し、この値を安定構造を有する内
部エネルギー（ＥMPt ）とみなした。この一般化密度勾
配近似法の下での計算は、交換項に Beckeの関数を、相
関項として Perdew の関数を組み合わせたものを使用し
た。
を、原子座標の関数形に表し、その内部エネルギーの微
分量として力を算出し、その力にしたがってモデル触媒
を構成する原子に微少の変位を加えた。そして、繰り返
しの最初に戻り、再び内部エネルギーの計算を行った。
以上の繰り返し計算の中で、前回の繰り返し計算の内部
エネルギーと今回の内部エネルギーとの差が１．０×１
０-5原子単位未満となったとき、２原子からなるクラス
ター構造が最安定構造であると判断した。そして、この
触媒構造の最適化後に一般化密度勾配近似法レベルでの
内部エネルギーを算出し、この値を安定構造を有する内
部エネルギー（ＥMPt ）とみなした。この一般化密度勾
配近似法の下での計算は、交換項に Beckeの関数を、相
関項として Perdew の関数を組み合わせたものを使用し
た。
【００２３】一方、反応分子であるＣＯについては、tr
iple zeta with polarization 関数による密度汎関数法
を用いた以外はモデル触媒と同様にして、Singlet, Dou
blet, Triplet 等のとり得る全てのスピン状態を考慮し
た繰り返し計算を行い、最安定構造とそれに対応する内
部エネルギーを求めた。
iple zeta with polarization 関数による密度汎関数法
を用いた以外はモデル触媒と同様にして、Singlet, Dou
blet, Triplet 等のとり得る全てのスピン状態を考慮し
た繰り返し計算を行い、最安定構造とそれに対応する内
部エネルギーを求めた。
【００２４】以上のようにして、モデル触媒とＣＯの最
安定構造及びその内部エネルギー（Ｅco）を求めた後、
ＣＯをモデル触媒の近傍に配置したモデル吸着構造を想
定した。この配置の仕方としては、実験的に観察される
配置を考慮して、白金原子の近傍、付加原子の近傍、及
びこれらの中間位置とした。このＣＯをモデル触媒の近
傍に配置した各々のモデル吸着構造について、モデル触
媒とＣＯの最安定構造及びその内部エネルギーを求めた
手法と同様にして、モデル触媒と反応分子の全体の系に
ついて最安定構造と内部エネルギー（ＥMPt+ CO）を求め
た。ここでも、Singlet, Doublet, Triplet 等のとり得
る全てのスピン状態を考慮した繰り返し計算を行った。
安定構造及びその内部エネルギー（Ｅco）を求めた後、
ＣＯをモデル触媒の近傍に配置したモデル吸着構造を想
定した。この配置の仕方としては、実験的に観察される
配置を考慮して、白金原子の近傍、付加原子の近傍、及
びこれらの中間位置とした。このＣＯをモデル触媒の近
傍に配置した各々のモデル吸着構造について、モデル触
媒とＣＯの最安定構造及びその内部エネルギーを求めた
手法と同様にして、モデル触媒と反応分子の全体の系に
ついて最安定構造と内部エネルギー（ＥMPt+ CO）を求め
た。ここでも、Singlet, Doublet, Triplet 等のとり得
る全てのスピン状態を考慮した繰り返し計算を行った。
【００２５】得られた各内部エネルギーより、反応分子
がモデル触媒に吸着するときの吸着エネルギー
（Ｅads ）を算出した。 Ｅads ＝ ＥMPt+CO−（ＥMPt ＋ＥCO） 以上の計算を、付加元素をパラジウム、モリブデン、ロ
ジウム、ルテニウム、又は白金としたモデル触媒につい
ても行った。
がモデル触媒に吸着するときの吸着エネルギー
（Ｅads ）を算出した。 Ｅads ＝ ＥMPt+CO−（ＥMPt ＋ＥCO） 以上の計算を、付加元素をパラジウム、モリブデン、ロ
ジウム、ルテニウム、又は白金としたモデル触媒につい
ても行った。
【００２６】上記の計算結果を表１にまとめて示してい
る。表１は、ＣＯが白金上（on Pt)、付加元素上（on M
etal) 、及び白金と付加元素の中間位置（middle）に存
在する条件で、それぞれの最少のＣＯ吸着エネルギー
（Ｅads ）と併せて、それに対応するスピン状態、原子
間距離、各原子の電荷の計算値を示している。表１の各
モデル触媒についてのＣＯ吸着エネルギー（Ｅads ）の
最少値を比較すると、白金−パラジウム系では、白金−
白金系よりもＣＯ吸着エネルギーがさらに低くなってい
るが、白金−ロジウム系、白金−モリブデン系、白金−
ルテニウム系では白金単独系よりもＣＯ吸着エネルギー
が高いことが分かる。
る。表１は、ＣＯが白金上（on Pt)、付加元素上（on M
etal) 、及び白金と付加元素の中間位置（middle）に存
在する条件で、それぞれの最少のＣＯ吸着エネルギー
（Ｅads ）と併せて、それに対応するスピン状態、原子
間距離、各原子の電荷の計算値を示している。表１の各
モデル触媒についてのＣＯ吸着エネルギー（Ｅads ）の
最少値を比較すると、白金−パラジウム系では、白金−
白金系よりもＣＯ吸着エネルギーがさらに低くなってい
るが、白金−ロジウム系、白金−モリブデン系、白金−
ルテニウム系では白金単独系よりもＣＯ吸着エネルギー
が高いことが分かる。
【００２７】ここで、実験からは、白金−ルテニウム系
の触媒の方が白金単独系よりもＣＯ被毒が生じ難いこと
が確認されており、このことは、この計算結果が実験デ
ータと整合することを示している。また、白金−モリブ
デン系では、白金−ルテニウム系よりも一層ＣＯ吸着エ
ネルギーが高いことが分かる。このことは、実験的に確
認されている白金−ルテニウム系よりもさらにＣＯ被毒
の少ない触媒を示唆するものであり、本発明の方法によ
る触媒設計の予測性を実証しているものである。
の触媒の方が白金単独系よりもＣＯ被毒が生じ難いこと
が確認されており、このことは、この計算結果が実験デ
ータと整合することを示している。また、白金−モリブ
デン系では、白金−ルテニウム系よりも一層ＣＯ吸着エ
ネルギーが高いことが分かる。このことは、実験的に確
認されている白金−ルテニウム系よりもさらにＣＯ被毒
の少ない触媒を示唆するものであり、本発明の方法によ
る触媒設計の予測性を実証しているものである。
【００２８】なお、水素（Ｈ）吸着系についてもＣＯ吸
着系と同様に計算を行い、その結果を表２に示してい
る。この計算結果から、ＣＯ吸着系に比較してＨ吸着系
では、モデル触媒間で吸着エネルギーにそれ程の差がな
いことが分かる。現状の燃料電池の触媒電極は、水素の
吸着性能には影響を与えずにＣＯ被毒を改良することが
必要とされており、この計算は、予測した白金−モリブ
デン系触媒が水素の吸着性にはそれ程の差異を生じない
であろうことを確認したものである。
着系と同様に計算を行い、その結果を表２に示してい
る。この計算結果から、ＣＯ吸着系に比較してＨ吸着系
では、モデル触媒間で吸着エネルギーにそれ程の差がな
いことが分かる。現状の燃料電池の触媒電極は、水素の
吸着性能には影響を与えずにＣＯ被毒を改良することが
必要とされており、この計算は、予測した白金−モリブ
デン系触媒が水素の吸着性にはそれ程の差異を生じない
であろうことを確認したものである。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】図１に、これらの白金単独系、白金−ルテ
ニウム系、及び白金−モリブデン系の最少吸着エネルギ
ーを呈する条件を示しており、白金単独系では、ＣＯが
中央に位置してスピン状態が singletであるとき、白金
−ルテニウム系では、ＣＯがルテニウム上に位置してス
ピン状態が tripletであるとき、白金−モリブデン系で
は、ＣＯがモリブデン上に位置してスピン状態が tripl
etであるときにそれぞれのモデル触媒において最少吸着
エネルギーが得られることを示している。
ニウム系、及び白金−モリブデン系の最少吸着エネルギ
ーを呈する条件を示しており、白金単独系では、ＣＯが
中央に位置してスピン状態が singletであるとき、白金
−ルテニウム系では、ＣＯがルテニウム上に位置してス
ピン状態が tripletであるとき、白金−モリブデン系で
は、ＣＯがモリブデン上に位置してスピン状態が tripl
etであるときにそれぞれのモデル触媒において最少吸着
エネルギーが得られることを示している。
【００３２】
【発明の効果】最適な触媒構造予測するにおいて、反応
分子を含めた触媒系のエネルギーを量子力学計算に基づ
いて行うことで、高い精度で最適な触媒構造の予測する
ことができる。
分子を含めた触媒系のエネルギーを量子力学計算に基づ
いて行うことで、高い精度で最適な触媒構造の予測する
ことができる。
【図１】各種触媒構造について、吸着状態と吸着エネル
ギーを示すモデル図である。
ギーを示すモデル図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｊ 23/652 Ｈ０１Ｍ 4/92 Ｈ０１Ｍ 4/92 Ｂ０１Ｊ 23/64 １０３Ｍ (72)発明者 高見 誠一 宮城県仙台市太白区八木山緑町16−14−15 Ｆターム(参考） 4G069 AA12 BB02A BB02B BC59A BC59B BC69A BC70A BC70B BC71A BC71B BC72A BC72B BC75A BC75B CC32 ED07 ED10 5H018 AA01 AS01 EE02 EE03
Claims (4)
- 【請求項１】 主触媒元素と他の少なくとも１種の元素
を含むモデル触媒を決定する手段、前記モデル触媒の最
安定構造及びその最安定構造の内部エネルギーを算出す
る手段、前記モデル触媒との反応を検討すべき反応分子
の内部エネルギーを算出する手段、前記モデル触媒と前
記反応分子との起こり得る各吸着構造を決定する手段、
並びに前記各吸着構造の最安定構造及びその最安定構造
の内部エネルギーを算出する手段、を用いて前記反応分
子の各吸着構造における吸着エネルギーを算出し、その
算出された各吸着エネルギーを比較することにより最適
触媒構造を予測することを特徴とする触媒構造の設計方
法。 - 【請求項２】 モデル触媒が、それを構成する元素を最
少構成単位にして空間に配置されて構成された請求項１
に記載の方法。 - 【請求項３】 前記主触媒元素が白金である請求項１又
は２に記載の方法。 - 【請求項４】 前記反応分子がＣＯである請求項３に記
載の方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000305234A JP2002113370A (ja) | 2000-10-04 | 2000-10-04 | 触媒構造の設計方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000305234A JP2002113370A (ja) | 2000-10-04 | 2000-10-04 | 触媒構造の設計方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002113370A true JP2002113370A (ja) | 2002-04-16 |
Family
ID=18786133
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000305234A Pending JP2002113370A (ja) | 2000-10-04 | 2000-10-04 | 触媒構造の設計方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002113370A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003071297A (ja) * | 2001-08-31 | 2003-03-11 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 金属酸化物触媒の活性予測方法 |
| JP2008043943A (ja) * | 2006-07-21 | 2008-02-28 | Nippon Soken Inc | 触媒材料、それを用いたガスセンサ用電極、ガスセンサおよびそれらの製造方法 |
-
2000
- 2000-10-04 JP JP2000305234A patent/JP2002113370A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003071297A (ja) * | 2001-08-31 | 2003-03-11 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 金属酸化物触媒の活性予測方法 |
| JP2008043943A (ja) * | 2006-07-21 | 2008-02-28 | Nippon Soken Inc | 触媒材料、それを用いたガスセンサ用電極、ガスセンサおよびそれらの製造方法 |
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