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MOF-74NiにおけるH2O分子の吸着と拡散挙動

テーマ概要

ゼオライトに代表されるようなナノサイズの微小細孔を持つ材料は吸着材、分離膜、触媒材料として幅広い分野で利用されており、学術的な研究も盛んに行われています。[1]

Metal-organic frameworks(MOFs)は比較的新しいクラスのナノ細孔構造を持つ結晶材料で、そのユニークな特徴から次世代材料として注目を集めています。

一部のMOFは金属サイトが細孔内方向にむき出し状態で吸着脱離等、化学反応の起点になり得ます。その中でもH2Oの吸着Energyや高温状態での吸着分子の挙動をMatlantisを用いて計算してみます。

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計算モデルと計算方法

ここではMOF-74における水分子の吸着Energyを構造最適化を用いて計算を行います。

MOF-74の結晶構造はCambridge Crystal Structure Database[2]から取得可能です。(hydrated: LEJRIC_288478, dehydrated:LECQEQ_288477)。

取得した構造をベースに、孤立した水分子、MOFのみ、水分子の吸着したMOFのそれぞれの構造を作成します。

構造作成が終わったら構造最適化を行います。

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計算結果と展望

先行文献[3]と同等な精度でH2Oの吸着エネルギーを計算することができました。分子動力学simulationを行ったところ、H2OがNiOノード間をホッピングするように拡散する様子も確認されました。

MOFは一般に元素種が多様で、細孔構造が存在するため数百原子を超えるような大きな結晶構造になる傾向があります。Matlantisの汎化性と高速な計算により、従来の計算手法では非常に高コストな検討を現実的な計算時間で実行でき、材料探索に適用できます。

【水分子の吸着Energy】Ea[kJ/mol] : 48.3 / 64.4 (分散力補正アリ)
【先行文献計算結果】[3] Ea[kJ/mol] : 61.0 (分散力補正アリ)
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200℃でのMDのスナップショット

計算条件

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参考文献

[1] O.M. Yaghi, Science 2013, 341, 1230444[2] https://www.ccdc.cam.ac.uk/solutions/data/[3] F. Bonino, et. al., S. Chem. Mater. 2008, 20, 4957
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Features
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Matlantisの3つの特長

革新的なマテリアルの創出に貢献し、持続可能な世界を実現するために「Matlantis」は生まれました。

汎用性/ Versatile

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幅広い元素・構造に対応

未知の材料を含む、分子や結晶などの任意の原子の組み合わせにおいてシミュレーションが可能です。現在は55の元素をサポートしており、今後さらに拡大予定です。

高速 / High Speed

高速 / High Speed イメージ
従来手法の10,000倍以上高速

DFT(Density Functional Theory:密度汎関数法)では、高性能なコンピュータを用いて数時間~数カ月かかった原子レベルの物理シミュレーションを、数秒単位で行うことができます。

使いやすさ / Easy to Use

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ブラウザを立ち上げれば
シミュレーションを開始できます

学習済み深層学習モデル・物性計算ライブラリ・高性能な計算環境をパッケージにすることで、ハードウェアの準備や環境構築をすることなく、シミュレーションによる材料探索が可能です。また、従来の機械学習ポテンシャルとは異なり、ユーザーによるデータ収集や学習が不要です。

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