コバルト触媒におけるCO解離反応の活性化エネルギー
再エネ合成燃料
再生可能エネルギー由来の「水素」と「CO2」を原料とした「再エネ合成燃料」用触媒の検討例になります。
合成燃料である炭化水素を作る反応はFischer-Tropsch（FT）反応と呼ばれ、「水素」と「CO」から触媒を用いて炭化水素を作ります。触媒にはコバルトや鉄が用いられています。
Fischer-Tropsch（FT）反応
FT反応は非常に多くの素反応からなる複雑な反応ですが、その中でもCO解離反応は律速となる反応のひとつと考えられています[1][2]。今回コバルト触媒におけるCO解離活性化エネルギーをMatlantisを用いて計算してみます。
○：水素 ●：酸素 ●：炭素 ●：Co触媒
計算モデルと計算方法
ここではNEB計算によりCo（0001）表面上でのCO解離反応の活性化エネルギーを計算します。コバルト触媒構造はMaterials Projectデータベースより取得することができます。
取得した構造を用いてNEB計算用のモデルを作成します。 Co（0001）表面を作成した後、CO分子を吸着させた始状態（IS）、終状態（FS）を作成していきます。
IS、FSの構造作成が終わったらNEB計算を行います。
計算結果と展望
NEB計算により先行文献[2]と同等な精度でCO解離活性化エネルギーを計算することができました。このようにMatlantisを用いることで、従来は計算コストの高かった活性化エネルギー計算を非常に高速に行うことができます。
多くの元素を学習したMatlantisでは現実的な時間で、数千回以上の活性化エネルギー計算をできるので、性能の高い触媒の提案も可能となります。
例えば、触媒元素の一部を様々な元素で置換し、 CO解離活性化エネルギーを計算すると、バナジウム元素に一部置換した場合に活性化エネルギーは低下します。バナジウムがFT反応を促進する元素として機能することは、実験的にも知られています[5, 6]。
このことから、Matlantisは単一組成での吸着や物性、現象の解明だけではなく、汎化性・高速性な特性を生かし、複数の元素や構造を考慮した材料スクリーニングまで行うことができます。
計算条件
参考文献
[1] Bart Zijlstra et. at., ACS Catal., 10, 9376-9400, （2020） https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.0c02420 [2] Bart Zijlstra et. at., ACS Catal., 9, 7365-7372, （2019） https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.9b01967 [3] https://www.materialsproject.org/materials/mp-54/ [4] https://wiki.fysik.dtu.dk/ase/ase/neb.html [5] T. Wang et. al., Catal. Lett., 107, 47 （2006） https://link.springer.com/article/10.1007/s10562-005-9730-1 [6] K. Shimura et.al, Appl. Catal. A, 494, 1 （2015） https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926860X15000320タグ
本事例の公開日：2022.01.21
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