金属ナトリウム微粒子で探る、水酸化ナトリウムからの水素放出反応挙動

Research Project

Project/Area Number	22K14773
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research Institution	Japan Atomic Energy Agency
Principal Investigator	土井大輔国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 高速炉・新型炉研究開発部門敦賀総合研究開発センター, 研究副主幹 (50716107)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	水素 / 金属ナトリウム / X線回折（XRD） / 熱分析 / ラマン分光分析 / 量子化学計算 / 低沸点溶媒 / 熱重量・示差熱分析（TG－DTA） / 質量分析（MS）
Outline of Research at the Start	ナトリウム化合物から水素が放出される反応は、水素貯蔵材料開発等の基礎研究からナトリウム冷却高速炉開発等の応用研究までの幅広い分野で注目されている。しかし、Na―O―H系で競合する反応の中で、ナトリウムと水酸化ナトリウムとの反応は、水素がどのような反応過程で生成されるかが明らかでない。本研究では、新たに作製する金属ナトリウム微粒子を活用して、均質な混合試料（Na＋NaOH）を用いた熱重量・示差熱分析及び質量分析、温度可変のX線回折測定及びラマン分光分析による実験と、量子化学計算による理論計算により、Na＋NaOH反応における反応速度及び反応過程を明らかにする。
Outline of Annual Research Achievements	金属ナトリウム（Na）と水酸化ナトリウム（NaOH）が反応して水素が放出される反応（Na＋NaOH反応）は、ナトリウム－酸素－水素で構成される反応系で生じ得る他の水素放出反応と比べて、反応挙動（反応速度及び反応過程）が十分に解明されていない。本研究では、切出したナトリウム小片と水酸化ナトリウム粉末による不均質な混合試料ではなく、新たに作製する金属ナトリウム微粒子（粉末）を用いた均質な混合試料の熱分析（熱重量・示差熱分析及び質量分析（TG－DTA／MS））で反応速度を求め、温度可変の化学分析（X線回折測定及びラマン分光分析）と量子化学計算を併用して反応過程を明らかにする。 2023年度は、NaとNaOHとの混合試料で生じる化学反応を考察するため、異なる温度まで加熱した試料のX線回折測定や、加熱状態下でのラマン分光分析を実施するとともに、反応過程の推定に向けた量子化学計算を開始した。X線回折測定では、開放系の実験体系で混合試料を加熱し、異なる温度で反応させた後に試料中の結晶相を同定した。その結果、300℃前後から反応生成物（酸化ナトリウム（Na2O））が多く生じることがわかった。ラマン分光分析では、混合試料の昇温に伴い、反応物であるNaOHに相当するピーク強度が低下し、生成物であるNa2Oに相当するピークが生じており、NaOHが消費されNa2Oが生成されることが示唆された。過年度の熱分析では反応の進行に伴い水素（H2）を検出しており、これら実験結果から、NaとNaOHが反応してNa2OとH2が生成されることが実験的に示された。また、量子化学計算では、関連知見を調査するとともに、量子化学計算ソフトウェアGaussianを使用して、Nudged Elastic Band（NEB）法によりNaとNaOHとの反応経路（最小エネルギー経路）の推定を開始した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2023年度は、温度可変の化学分析（X線回折測定及びラマン分光分析）を実施し、水素放出反応（Na＋NaOH反応）の全体像を概ね把握することができた。また、量子化学計算により反応経路の推定を開始できた。これら研究進捗は、概ね想定通りであるため。
Strategy for Future Research Activity	熱分析（TG－DTA／MS）やX線回折測定の実験データを拡充する。また、量子化学計算で反応経路を推定し、Na＋NaOH反応の反応過程を明らかにしていく。