（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 令和３年度 学術利用 成果報告書

利用課題名 二酸化炭素の分離回収におけるゼオライト構造の最適化
英文：Optimization of zeolite structure for CO2 separation
利用課題責任者 池田歩
Ayumi Ikeda
所属 産業技術総合研究所
National Institute for Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
https://www.aist.go.jp/

邦文抄録（300 字程度）
二酸化炭素吸着に適したゼオライト構造を探索するため、二酸化炭素の分子径に近い細孔径をもつゼオライトについて、第一原理計算に基づく密度汎関数理論 (DFT) 計算を利用して、二酸化炭素の吸着エネルギーを算出した。まず、ゼオライトの組成 (Si/Al 比) ごとに、最安定エネルギーを計算し、各組成のゼオライト中に二酸化炭素を存在させたときのエネルギーを計算した。この結果、算出したチャバザイト型ゼオライトの CO2 吸着エネルギーは、実験値と良好に一致することを確認した。これより、DFT 計算を利用することで、分子動力学法やモンテカルロ法と異なり、ノンパラメータでゼオライトに対する CO2 吸着エネルギーが算出できることを示した。
英文抄録（100 words 程度）
Searching for zeolite structures suitable for carbon dioxide adsorption, we used DFT calculations
based on the first-principles calculations to calculate the adsorption energy of carbon dioxide forzeolites with pore diameters close to the molecular diameter of carbon dioxide. First, thestructure-optimized energy was calculated for each zeolite composition, and then the energy ofcarbon dioxide in zeolite structure was calculated. As a result, the calculated CO2 adsorption energyof chabazite zeolite was confirmed to be in good agreement with the experimental value. This showsthat the DFT calculation can calculate the CO2 adsorption energy for zeolite with non-parameters.

Keywords: DFT calculation, CO2 adsorbent, zeolite

背景と目的
カーボンニュートラルの実現には、省エネルギーな料の設計指針を確立でき、吸着材開発の加速化を期待している。

CO2 分離回収技術が必要である。分離回収プロセスで使用される CO2 分離材料は、CO2 分離回収プロセスの概要省エネルギー性能に大きな影響を及ぼす。ここでは、

本研究では、TSUBAME を利用して第一原理計算

CO2 分離材料としてゼオライトに注目する。ゼオライトに基づく DFT 計算（RSDFT）を実行できる環境を整えは、直径が 1 ナノメートル未満の細孔を有する結晶性た。数種のゼオライトについて、アルミニウム含有量を無機材料であり、その CO2 吸着性能は細孔容積と組成変えた際の最も安定な構造とそのエネルギーCO2 をゼによって決定される。細孔容積は骨格構造に依存し、オライト骨格内に配置したときのエネルギーを計算し、組成は骨格内のアルミニウム含有量や対カチオンによその差から吸着エネルギーを算出した。この結果、って変化することが知られている。 本研究では、第一0.38 nm の細孔をもつチャバザイト型ゼオライトの CO2原理計算に基づく DFT 計算（RSDFT）を利用して、ゼ吸着エネルギーが実験値と良好に一致することを示しオライト中の Al やカチオンの安定位置の特定、CO2 吸た。

着エネルギーの算出を行う。本研究により、DFT 計算によって、ゼオライトの構造及び組成が CO2 との相互材用に及ぼす影響を解明できれば、固体 CO2 吸着材結果および考察
はじめに、8 員環をもつチャバザイト型ゼオライトにつ（様式 20）成果報告書いて、アルミニウム(Al)原子とナトリウムイオンの安定る影響を検討した (表 1)。このとき、CO2 は二重 6 員環位置を決定した。図 1 は、チャバザイト型ゼオライトのに対して垂直に配置して計算した。表 1 より、二重 6 員骨格構造を示す。チャバザイト型ゼオライトのユニット環の上面にナトリウムイオンが存在する場合（A,B）、ナセルの組成は NaxAlxSi36-xO72 とし、Al 原子数 x=1, 2トリウムイオンが二重 6 員環内にある場合 (C) と比較(Si/Al 比=35, 17) で計算した。Si/Al 比＝35 (ユニット

して CO2 吸着エネルギーは高いことが分かった。ここで、セル内の Al 原子 1 個) のチャバザイト型ゼオライトに実験値の CO2 吸着熱は 37.4 kJ mol-1 だったことから、ついて、Al 原子を二重 6 員環と 4 員環の交点に配置し現実のチャバザイト型ゼオライト膜中のナトリウムイオたとき、ナトリウムイオンが 4 員環より 6 員環近傍にあンは A や B の構造に近い可能性があると推察した。

る方が-0.53 eV 安定であった。Al 原子とナトリウムイオンの距離に着目すると、ナトリウムイオンを 4 員環近傍

表 1 Al 原子と Na イオンの位置が CO2 吸着エネルギに配置した場合、距離が近いほど構造最適化エネルギーに与える影響 (Si/Al 比=35, 黄: Na イオン, 赤: Al)ーは低くなり、安定であることが分かった。一方、ナトリ
ウムイオンを二重 6 員環近傍に配置した場合、Al 原子とナトリウムイオンの距離が構造最適化エネルギーに有意な差を与えなかった。以後、二重 6 員環近傍にナトリウムイオンを配置した場合について考える。
Si/Al 比=17 (ユニットセル内の Al 原子 2 個) のとき、次に、Si/Al 比の異なるチャバザイト型ゼオライトについナトリウムイオンが 6 員環近傍かつ各イオンが最も離て CO2 の吸着熱を DFT 計算により求めたところれた位置にあるとき、もっともエネルギーが低くなった。

Si/Al=3~∞において実験結果とよく一致することが明確になった。

まとめ、今後の課題
DFT 計算を利用することで、力学パラメータ無しで、チャバサイト型ゼオライトに関する CO2 吸着エネルギーおよび拡散係数を算出できるようになった。今後、吸着等温線を描画するため、圧力依存性と温度依存性を表
図 1 チャバザイト型ゼオライトの構造[1]次に、チャバザイト型ゼオライトに対する CO2 の吸着エネルギーを算出した。式(1)に、CO2 の吸着エネルギ現することが課題である。

Reference[1] Ch. Baerlocher and L.B. McCusker, Database

ーつまり、吸着熱 ΔHads と DFT 計算から得られるエネ

of Zeolite Structures:

ルギーの関係を示す。

http://www.iza-structure.org/databases/(

H ads = Ezeolite+CO2 − Ezeolite + ECO2)

・・・(1)

ここで、Ezeolite は構造最適化したゼオライト構造のエネ
ルギー、Ezeolite+CO2 は CO2 を配置して構造最適化したゼオライト構造のエネルギー、ECO2 は CO2 分子がもつエネルギーを表す。
Si/Al 比=35 (ユニットセル内の Al 原子 1 個) のとき、Al 原子とナトリウムイオンの位置が CO2 吸着熱に与え