水素クラスターの機能化-高密度水素貯蔵と準室温超伝導の両面から-

• Project/Area Number: 15686027
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Structural/Functional materials
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 折茂 慎一 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (40284129)
• Project Period (FY): 2003 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥24,440,000 (Direct Cost: ¥18,800,000、Indirect Cost: ¥5,640,000); Fiscal Year 2005: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2004: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2003: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
• Keywords: 水素クラスター / 錯体水素化物 / 電気陰性度 / 水素貯蔵 / 中性子遮蔽 / ペロブスカイト水素化物 / アルミニウム水素化物 / 燃料電池 / 金属水素化物 / 複合材料 / ペロブスカイト / 水素欠損 / 伝導特性 / リチウム / 高圧水素 / 成膜 / マグネシヴム

Research Abstract

水素クラスター型(錯体)水素化物としての「軽量金属(M)-ホウ素(B)-水素(H)系材料」や「軽量金属(M)-チッ素(N)-水素(H)系材料」などの研究を更に発展させた。本年度は、アルカリ(土類)金属に加えて遷移金属や希土類金属も含めた広範な種類の金属Mを用いてそれぞれの水素化物を合成するとともに、それらの機能性を大幅に向上させた。主な成果を以下に示す。
1)当該水素化物の熱力学的安定性は、電気陰性度を考慮したMの選定によって実効的に制御できることを見出した。例えば、M-B-H系材料の場合、Mとして電気陰性度が比較的小さな元素群(アルカリ金属や希土類金属、など)を用いることで水素化物が安定化する。この場合、水素放出温度が300℃以上に設定できるので、高密度水素の物性を利用した中性子遮蔽機能などを付与することができた。一方、Mとして電気陰性度が比較的大きな元素群(遷移金属元素、など)を用いることで、水素化物が適度に不安定化する。この場合、水素放出温度が200℃以下に設定できるので、燃料電池技術をはじめとした水素利用技術において重要となる可逆的な高密度水素貯蔵機能を付与することができた。
2)当該水素化物の昇温過程では、B-H系気体やN-H系気体などの水素以外の気体が放出される可能性がある。これらの不純物放出は、水素貯蔵機能や中性子遮蔽機能をはじめとした機能化に際して阻害要因となりうる。そこで水素以外の不純物放出の要因を検討することにより、B-H系気体に関してはMの電気陰性度を適正化すること、N-H系気体に関しては他の錯体水素化物あるいは水素化物と複合化すること、などによりこの不純物放出が抑制できることを実証した。
その他、ペロブスカイト水素化物やアルミニウム水素化物での多様な水素クラスターに関する研究も進め、結晶構造に強く依存した水素放出特性や伝導特性に関する基礎的知見を得た。

Research Products

• [Journal Article] 特集 水素貯蔵合金の最近の研究開発,錯体水素化物での高密度水素貯蔵 (2006)
  • Author(s): 折茂慎一, 中森裕子
  • Journal Title: 金属 76 Pages: 9-14
• [Journal Article] Neutronics assessment of advanced shield materials using metal hydride and borohydride for fusion reactors (2006)
  • Author(s): T.Hayashi et al.
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design 81 Pages: 1285-1290
• [Journal Article] Intrinsic and mechanically modified thermal stabilities of α-, β- and γ-aluminum trihydrides AlH_3 (2006)
  • Author(s): S.Orimo et al.
  • Journal Title: Applied Physics A 83 Pages: 5-8
• [Journal Article] Dehydriding and rehydriding reactions of LiBH_4 (2005)
  • Author(s): S.Orimo et al.
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds 404-406 Pages: 427-430
• [Journal Article] First-principles study on lithium amide for hydrogen storage (2005)
  • Author(s): K.Miwa et al.
  • Journal Title: Physical Review B 71
• [Journal Article] Destabilization of LiRH_4 by mixing with LiNH_2 (2005)
  • Author(s): M.Aoki et al.
  • Journal Title: Applied Physics A 80 Pages: 1409-1412
• [Journal Article] Hydrogen storage properties of Li-Mg-N-H systems (2005)
  • Author(s): Y.Nakamori et al.
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds 404-406 Pages: 396-398
• [Journal Article] Guidelines for developing amide-based hydrogen storage materials (2005)
  • Author(s): Y.Nakamori et al.
  • Journal Title: Materials Transaction 46 Pages: 2093-2097
• [Journal Article] First principles study on copper-substituted lithium borohydride (2005)
  • Author(s): K.Miwa et al.
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds 404-406 Pages: 140-143
• [Journal Article] 水素貯蔵としての錯体水素化物の研究 (2005)
  • Author(s): 中森裕子, 折茂慎一
  • Journal Title: 未来材料 5 Pages: 8-13
• [Journal Article] M-N-H systems for high-performance hydrogen storage (2005)
  • Author(s): Y.Nakamori et al.
  • Journal Title: Transactions of the Materials Research Society of Japan 30・4 Pages: 971-974
• [Journal Article] 水素貯蔵のための錯体水素化物 (2005)
  • Author(s): 中森裕子, 折茂慎一
  • Journal Title: まてりあ(日本金属学会会報) 44 Pages: 192-196
  • NAID: 10015596589
• [Journal Article] Reversible hydrogen storage functions for the mixtures of Li_3N and Mg_3N_2 (2005)
  • Author(s): Y.Nakamori et al.
  • Journal Title: Applied Physics A (Rapid Communication) 80 Pages: 1-3
• [Journal Article] Destabilization of Li-based complex hydrides (2004)
  • Author(s): Y.Nakamori et al.
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds 370 Pages: 271-275
• [Journal Article] Synthesis of LiNH_2 films by vacuum evaporation (2004)
  • Author(s): Y.Nakamori et al.
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds 377
• [Journal Article] First principles study on lithium borohydride LiBH_4 (2004)
  • Author(s): K.Miwa et al.
  • Journal Title: Physical Review B 69
• [Journal Article] Destabilization and enhanced dehydriding reaction of LiNH_2 - an electronic structure viewpoint (2004)
  • Author(s): S.Orimo et al.
  • Journal Title: Applied Physics A (Rapid Communication) 79 Pages: 1765-1767
• [Journal Article] Synthesis and dehydriding studies of Mg-N-H systems (2004)
  • Author(s): Y.Nakamori et al.
  • Journal Title: Journal of Power Sources 137 Pages: 309-312
• [Book] 水素・燃料電池ハンドブック (2006)
  • Author(s): 折茂慎一, 中森裕子
  • Publisher: オーム社(印刷中)
• [Book] 電子材料ハンドブック,第2章金属材料,燃料電池用材料 (2006)
  • Author(s): 折茂慎一
  • Publisher: 朝倉書店(印刷中)
• [Book] 「エネルギーの辞典」,第8章水素エネルギー,水素貯蔵・輸送技術(日本エネルギー学会編) (2005)
  • Author(s): 折茂慎一 他
  • Publisher: 朝倉書店(印刷中)
• [Publications] S.Orimo, Y.Nakamori, A.Zuttel: "Material properties of MBH_4 (M = Li,Na,and K)"Materials Science & Engineering B. 108. 51-53 (2004)
• [Publications] Y.Nakamori, S.Orimo: "Li-N based hydrogen storage materials"Materials Science and Engineering B. 108. 48-50 (2004)
• [Publications] Y.Nakainori, S.Orimo: "Destabilization of Li-based complex hydrides"Journal of Alloys and Compounds. 印刷中. (2004)
• [Publications] Y.Nakamori, T.Yamagishi, M.Yokoyama, S.Orimo: "Synthesis of LiNH_2 film by vacuum evaporation"Journal of Alloys and Compounds Letter. 印刷中. (2004)
• [Publications] 中森裕子, 折茂慎一: "高密度水素貯蔵材料としてのリチウム系錯体水素化物の研究-元素置換による材料設計の必要性-"燃料電池. 3・3. 20-23 (2004)
• [Publications] 中森裕子, 折茂慎一: "リチウム-水素系材料での新たな機能設計"まてりあ(日本金属学会会報). 42・11. 822-828 (2003)
• [Publications] 中森裕子, 折茂慎一(共著): "図解 燃料電池のすべて (高密度水素をクラスター状にして貯蔵する-燃料電池技術を強力に支援する錯体系の水素貯蔵材料-)"工業調査会. 263 (2003)