Control of hydrogen isotope separation by hydrogen ion permeable hetero electrode interface
| Project/Area Number |
21H01751
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
保田 諭 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (90400639)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福谷 克之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10228900)
矢野 雅大 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究職 (30783790)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
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| Keywords | 同位体分離 / グラフェン / 水素 / 二次元材料 / 同位体効果 / ボロンナイトライド / 重水素 / トンネル効果 / 水素同位体効果 / 水素ポンピング |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、水素同位体やそのイオンを透過する水素透過金属と二次元膜からなるヘテロ電極触媒を構築し、固体高分子形電気化学セルを用いた重水素濃縮分離デバイスを開発する。様々な異種元素をドープしたドープ二次元膜を作製し、ヘテロ界面における水素同位体との相互作用変調により水素同位体分離能の向上を試みる。これにより水素同位体分離の学理の発展だけでなく重水素の低コスト製造法の礎を築く。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、二次元薄膜を電極材料に用いた固体高分子形電気化学セルによる重水素濃縮分離デバイスを開発する。また、二次元薄膜を用いた水素同位体分離の学理の発展だけでなく、室温・常圧での重水素の低コスト製造法の知見を得ることを目的とする。本年度は、昨年度に得られた知見を基にし、グラフェン以外の二次元薄膜材料を用いたヘテロ電極構造を構築し、同位体分離能が量子トンネル効果に起因するかどうかの検証を行った。
水素ポンピング法によりカソードから排出される水素同位体ガスを質量ガス分析により評価し分離能を算出した。二次元薄膜にはグラフェンと同じ六員環構造をもつが元素が異なるボロンナイトライドを用いた。印加電圧による分離能依存性について評価した結果、電圧が低い場合には高い選択性を有し、電圧を高くするにつれ分離能が低下する、グラフェンを用いた時と同様の結果が得られた。この結果から、1原子層の二次元薄膜材料の水素同位体分離能は、量子トンネル効果に起因することを結論づけた。
また、低エネルギーイオン照射装置による二次薄膜への空孔構造導入技術を用いて、空孔構造が水素同位体分離能に与える影響についても検証した。その結果、空孔構造導入前と同様に印加電圧に依存した同位体分離能が観察されたが、観察される電流や電圧に大きな差は観察されなかった。次年度にはさらなる空孔構造の導入や、異種元素をドープした二次元薄膜材料を用いて空孔やドープ構造が同位体分離能に与える影響について精査する。以上、二次元薄膜の水素同位体分離能は、量子トンネル効果に起因することを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、グラフェン以外にも他の二次元薄膜材料を用いても高い分離能が発現することを示し、二次元薄膜材料の水素同位体分離能は量子トンネル効果に起因していることを示すことができたため、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、引き続きドープ構造の作製や分離能に与える影響について精査していく。具体的にはグラフェンやボロンナイトライドといった二次元膜にドープ構造をより多く導入する知見を得て、実際にヘテロ電極触媒として用いたときの分離能を四重極質量ガス分析により評価を行う。また、走査型トンネル顕微鏡やラマン分光法により試料の幾何構造及び化学的性質に関する知見を得る。理論的アプローチについても、二次元膜―金属界面からなるヘテロ界面での水素同位体分離能について検証を行う。これにより、二次元薄膜のトンネル障壁の変調が分離能に与える基礎的知見を取得し、より高分離能が発現する電極設計の知見を得る。
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Report
(2 results)
Research Products
(14 results)
