2020 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of well-defined structure in two-dimensional thin film for development of hydrogen isotope separation membrane
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18H01834
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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, 研究副主幹 (90400639)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
朝岡 秀人 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, 副センター長 (40370340)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | グラフェン / 水素同位体 / 欠陥 / 金属ナノ薄膜 / 同位体効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、グラフェン膜の水素同位体分離能を人為的に制御する知見を取得し、高効率な水素同位体分離膜を創製する礎を築く。昨年度は、電気化学水素ポンピング法を用いて、パラジウムナノ薄膜にグラフェン膜を被覆したパラジウム/グラフェン電極をアノード極に、白金ナノ微粒子触媒電極をカソード極に用いた場合に同位体分離能が6程度、発現するのを明らかにした。今年度は、これら機構を解明すべく詳細な検証を行った。その結果、アノード極にパラジウムナノ薄膜のみからなるパラジウム電極を用いた場合では同位体分離能は3程度であったのに対し、パラジウムナノ微粒子触媒や白金ナノ微粒子触媒電極を用いた場合では、同位体分離能はそれぞれ1.2程度とほとんど分離能が発現しないことが分かった。過去の研究から、パラジウム薄膜に対する水素と重水素の溶解度の違いから同位体分離能が発現し、その値は2程度であることが知られている。パラジウム薄膜電極では、酸化反応の過程でナノ薄膜内への水素と重水素の溶解を伴うため、この溶解度の違いに起因する分離能を反映したものと考えられる。一方、パラジウムナノ微粒子触媒や白金ナノ微粒子触媒電極を用いた場合、水素と重水素の酸化反応は表面でほとんど起きるため、溶解度の違いによる同位体分離効果は発現しないものと考えられる。パラジウムナノ薄膜にグラフェン膜を被覆した場合には、被覆しない電極と比べ同位体分離能が2倍程度向上することが分かった。理論モデルで検証した結果、グラフェンとパラジウム界面における水素・重水素原子の零点振動エネルギーの変調もしくは、グラフェンを透過する過程での水素イオンのトンネル効果が同位体分離能の向上に寄与していることが示唆された。以上、電気化学水素ポンピング法により、グラフェン膜と金属ナノ薄膜を組み合わせたヘテロ電極において、水素同位体分離能の発現機構とその制御に関する基礎的知見を得た。
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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