液体金属中のガスと化合物の溶液エンタルピーの第一原理の補正方法計算

液体金属（LMS）には、クーラント、バッテリー、柔軟な電子機器など、幅広いエンジニアリングアプリケーションがあります。密度汎関数理論（DFT）に基づく熱力学的特性の正確な計算方法は、特定された系統的エラーを修正する方法を含む固体材料のために広く開発されていますが、LMSについてはほとんど試みられていません。本研究では、LMSのガスと化合物の溶液エンタルピーの最初の原理計算のための4つの補正方法、すなわち、不純物ガス分子の実験結合エネルギーを使用して、補正-1を提案します。補正-2、さらに、LMおよびガス不安要素で構成される固体化合物の形成の実験的エンタルピーを使用します。補正-3、適合元素参照エネルギー（FERE）メソッドの概念を使用。およびCorder-4、調整補正エンタルピー（CCE）メソッドの概念を使用します。各方法の性能は、水素、窒素、酸素、ヨウ素ガスと液体ナトリウム中のナトリウム化合物で調べられ、各方法の動作原理が明確になります。一般に、4つの補正方法は計算誤差を効果的に減少させ、補正2はエラーを10 kJ mol-1未満に減らしますが、補正されていないエラーは最大数十KJ mol-1です。この研究は、適切な修正により、LMSの不純物の溶液エンタルピーのDFT計算が正確な実験と同じレベルの精度を達成できることを示しています。

Liquid metals (LMs) have a wide range of engineering applications, such as in coolants, batteries, and flexible electronics. While accurate calculation methods for thermodynamic properties based on density functional theory (DFT) have been extensively developed for solid materials, including methods to correct identified systematic errors, almost no attempt has been made for LMs. In the present study, four correction methods for the first-principles calculation of the solution enthalpy of gases and compounds in LMs are proposed, namely, Correction-1, using the experimental binding energy of an impurity gas molecule; Correction-2, additionally using the experimental enthalpy of formation of a solid compound composed of LM and gas-impurity elements; Correction-3, using the concept of the fitted elemental-phase reference energies (FERE) method; and Correction-4, using the concept of the coordination corrected enthalpies (CCE) method. The performance of each method is examined with hydrogen, nitrogen, oxygen, and iodine gases and their sodium compounds in liquid sodium, and the operating principle of each method is clarified. In general, the four correction methods effectively reduce the calculation error, and Correction-2 reduces the error to less than 10 kJ mol-1, while the uncorrected errors are up to several tens of kJ mol-1. This study demonstrates that, with appropriate correction, the DFT calculation of the solution enthalpy of impurities in LMs can achieve the same level of accuracy as in precise experiments.