異なる錯イオンが共存した新規錯体水素化物の創製とエネルギー関連機能の評価

• Project/Area Number: 17K14830
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Structural/Functional materials
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 李 関喬 東北大学, 金属材料研究所, 研究支援者 (30793971)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2018: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2017: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 水素貯蔵材料 / 錯体水素化物 / 水素 / 複合材料 / 遷移金属 / 錯体化学 / イオン伝導 / 全固体電池 / マイクロ波技術

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、5重量%以上の高水素密度を有し、室温付近にて可逆的な水素吸蔵・放出が可能な革新的水素貯蔵材料の創製を目指し、熱力学的安定性と水素の結合状態との相関に着目した基礎研究を推進した。
具体的には、リチウムやマグネシウムなどの軽金属を陽イオンとし、ホウ素系錯イオンBH4と、遷移金属元素からなるFeH6、NiH4など、水素の結合状態が異なる複数の錯イオンが共存した新規錯体水素化物群を合成し、圧力-組成等温線測定などの手法を用いて合成試料の水素吸蔵・放出特性を評価、水素放出温度や吸蔵性能における水素の結合状態の影響を調査した。代表的な成果としては、高い水素貯蔵密度を有する一方で、水素放出温度の低下ならびに繰り返し水素吸蔵・放出特性の改善が課題であったホウ素系錯体水素化物LiBH4に、遷移金属系錯体水素化物Mg2FeH6を添加した複合材料において、錯体水素化物同士の複合化反応（LiBH4 + Mg2FeH6 → LiH + 2Mg + (FeB, Fe) + H2）によってLiBH4単体の分解反応における高い熱力学的安定性が改善され、150℃も低い温度領域にて水素放出が可能であることを実証した。また、600 ℃、35 MPaの高温高圧下においても部分的にしか水素吸蔵反応が進行しないと報告されているLiBH4に対し、本研究にて合成した複合材料では、400 ℃、20 MPaにおいて顕著な水素貯蔵量の減少を伴わずに4回以上の繰り返し水素吸蔵・放出が可能であることも見出した。
本研究の結果より、水素の結合状態が異なる錯イオンの複合化が新たな高密度水素貯蔵材料の合成手法として有望であることが示され、今後は効果的な錯イオン種の組み合わせの選定や、複合化比の最適化により、優れた繰り返し水素吸蔵・放出特性を有する高密度水素貯蔵材料の創製が進むものと大いに期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Helmholtz-Zentrum Geethach/Institute of Materials Research/Department of Nanotechnology(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Institute for Energy Technology/Physics Department(ノルウェー)
• [Journal Article] Thermodynamic Properties and Reversible Hydrogenation of LiBH4-Mg2FeH6 Composite Materials (2017)
  • Author(s): Li Guanqiao、Matsuo Motoaki、Takagi Shigeyuki、Chaudhary Anna-Lisa、Sato Toyoto、Dornheim Martin、Orimo Shin-ichi
  • Journal Title: Inorganics Volume: 5 Issue: 4 Pages: 81-81
  • DOI: 10.3390/inorganics5040081
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In-situ powder neutron diffraction study on the formation process of LaMg2NiH7 (2017)
  • Author(s): T. Sato, K. Ikeda, M. Matsuo, K. Miwa, T. Otomo, S. Deledda, B. C.. Hauback, G. Li, S. Takagi, S. Orimo
  • Journal Title: International Journal of Hydrogen Energy Volume: 印刷中 Issue: 35 Pages: 22449-22453
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.02.196
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Li5(BH4)3NH, lithium rich mixed anion complex hydride (2017)
  • Author(s): A. Wolczyk, B. Paik, T. Sato, C. Nervi, M. Brighi, S.P. GharibDoust, M. Chierotti, M. Matsuo, G. Li, R. Gobetto, T.R. Jensen, R. Cerny, S. Orimo, M. Baricco
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 121 Issue: 21 Pages: 11069-11075
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b00821
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research