2019 Fiscal Year Research-status Report
大気ERDAを用いたセラミック水素吸蔵材の原理解明
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18K04948
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| Research Institution | Wakasa wan Energy Research Center |
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Principal Investigator |
鈴木 耕拓 公益財団法人若狭湾エネルギー研究センター, 研究開発部, 主任研究員 (40705612)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土屋 文 名城大学, 理工学部, 教授 (90302215)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | リチウムジルコネート / イオンビーム分析 / In-air ERDA / TOF-ERDA / 水素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウムジルコネートなどのセラミックは大気中の水蒸気を吸収し、加熱することにより水蒸気と共に水素ガスが発生することが示されている。本研究はイオンビームを用いた水素等の元素分析により、このメカニズムを解明することを目的とする。特にイオンビーム分析では、大気中で水素分析が可能なシステムや、多元素の同時測定が可能な TOF-ERDA といった世界的にも稀有な設備を用いている。
まずは吸収過程を調べるため、セラミック（リチウムジルコネート）を大気中に保管し、重量を測定した。大気中イオンビーム分析により、一定間隔で水素量を測定した結果、重量増加に従って水素量が増えることを確認した。また TOF-ERDA により、リチウムジルコネート内の水素、リチウム、炭素、酸素を同時測定した結果、炭素の検出や酸素量の増加が見られた。これは二酸化炭素が吸収されていることを示している。さらに、リチウムにおいては表面付近に凝集していることも判明した。これらの結果から、リチウムジルコネートは大気中の水と二酸化炭素を吸収していることが分かる。
これまでリチウムイオン電池等のリチウム化合物では水を吸収することがあり、リチウムと水素の置換反応が起こっていることが示唆されている。リチウムジルコネートも同様にリチウムと水素の置換が起こり、水酸化リチウムが生成されたと考えられる。水酸化リチウムは二酸化炭素吸収材として知られており、二酸化炭素が測定されたことと整合する。イオンビームによる元素分析により、リチウムジルコネートにおける水及び二酸化炭素吸収のメカニズムを示唆することができた。
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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
当初の研究計画ではセラミック中に吸収された水の振る舞いを調べるため、大気中におけるイオンビーム分析を活用し、水素の吸放出過程を測定することを主としていた。しかし、水の吸収量に比べ重量増加が多いことから、その他の元素も吸着していることが示された。このため、２年目以降は吸収過程にフォーカスし、他の元素の振る舞いを同時測定することにした。
イオンビーム分析の一種であるTOF-ERDAを活用すれば、多元素の同時分析を行うことができる。この手法はイオンビームを試料に照射し、反跳した試料中の元素を測定する。このとき飛行時間（TOF）とエネルギーを同時測定することで、質量を特定することができる。よって、水素、リチウム、炭素、酸素などの元素を同時に測定可能である。またTOF-ERDAと同時にラザフォード後方散乱（RBS）を併用することによりジルコニウムも測定可能である。こららの手法を組み合わせることで、リチウムジルコネート構成元素全てを測定できる。
これらのイオンビーム分析により、水素、リチウム、炭素、酸素、ジルコニウムの各元素の振る舞いを測定することができ、吸収過程のメカニズムに一つのモデルを提唱することができた。よって順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでは各種のイオンビーム分析を組み合わせることにより、リチウムジルコネート及び吸収された水や二酸化炭素を測定してきた。今後はイオンビーム分析も引き続き行い、再現性などのチェックを行っていくことと並行して、他の分析手法により同様の結果が得られるか確認していく。
Q-MASS を利用したガス分析、X線回折を利用したセラミックの構造解析により、吸収されているガスや水酸化リチウムの存在などを調査していく。これらの装置は若狭湾エネルギー研究センターに整備されている。
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| Causes of Carryover |
2年目のイオンビーム分析の結果から、セラミックの水吸収機構のモデルをたてることができた。そこで、このモデル検証を次年度に行う。そのためにはイオンビーム分析における異なるビーム種を用いた実験や、Q-Mass等のガス分析、X線回折など様々な分析手法を試みる予定である。したがって、これらの費用として次年度に繰り越すこととした。
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