2020 Fiscal Year Annual Research Report
Research on nitrogen dissociation mechanism and atom dynamics for Lithium alloys
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20H02465
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
宮岡 裕樹 広島大学, 自然科学研究支援開発センター, 准教授 (80544882)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
圓谷 貴夫 熊本大学, 大学院先導機構, 助教 (00619869)
礒部 繁人 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (10564370)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 構造・機能材料 / 化学物理 / 物性実験 / 電子顕微鏡 / 理論計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アンモニア(NH3)や窒化ガリウム(GaN)に代表される機能性窒化物は，安定な窒素分子(N2)を解離するため高温高圧条件が必要とされるのが一般的であるが，より低温低圧での合成が可能となれば，エネルギー消費を抑え，且つ低コストに窒化物を製造することができる。リチウム(Li)合金は，窒素分子を室温でも解離しうるが，その詳細については理解されていない。本研究では，このLi合金を用いた「活性窒素」生成/利用技術について，特に，窒素分子解離能発現メカニズム，及び原子拡散のダイナミクスを実験的及び理論的アプローチにより理解することを目的する。
Liと14族元素の合金について，メカノケミカル法及び熱化学法を用いて粉末及びバルク単相試料を合成した。得られたLi合金について，熱重量分析及び質量数分析装置を用いて，窒化，アンモニア合成，再生反応を実施し，各反応の特性評価を行った。生成物については，X線回折及び電子顕微鏡を用いたキャラクタリゼーションを行った。また，比較試料として，Liと同族であるNaと14族元素の合金も作製し，そのキャラクタリゼーションを行った。
Li-Sn二元合金であるLi13Sn5及びLi17Sn4について，Sn原子周りの局所構造が相安定性に与える影響に着目し，第一原理計算による研究を進めた。得られた最安定構造（原子配置）を基に，合金表面における窒素分子の解離機構とリチウム原子が脱離しLi3Nが生成される原子ダイナミクスを分子動力学で計算する手法の構築を進めた。
窒化，アンモニア合成，再生反応後のL-Sn合金バルク試料を作製し，FIB(Focused ion beam)加工を用いた断面電子顕微鏡観察及びエネルギー分散型X線分光(EDS)を用いた元素分布の解析を行った。この結果を基に，アンモニア合成プロセスにおけるLi原子の拡散ダイナミクスについて議論した。
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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
研究計画に従い，種々のLi合金及び比較試料を合成し，熱分析，相同定，化学状態分析等を行うことで，窒素解離特性及びアンモニア合成特性の評価を行った。得られた系統的な結果を基に，Li合金の窒素解離能の制御因子について議論を進めた。
Li合金の窒素解離能を理解することを目的とした理論計算について，計算に必要な設備(RC Viento Xeon 6138)を購入し研究の準備を進めた。また，実験的なアプローチとの比較を意識した具体的な研究手法や方向性について研究分担者らと議論した。
電子顕微鏡観察用のバルク試料の合成，窒化，アンモニア合成，再生処理等を，広島大学及び北海道大学で分担して実施した。これらの試料をFIB加工し，断面の観察及び元素分布の解析を実施したところ，Li原子の拡散プロセスを議論するに足る結果が得られた。得られた結果を基に，新たなLi合金の設計を行った。
各研究分担者とは年に数回オンラインにて研究打合せ，報告会等を実施することで密に連携を取りながら研究内容の共有や今後の方針の決定を行った。また，得られた研究成果について，国内学会，国際会議等で発表を行った。
以上のことから，初年度に計画していた合金作製，特性評価，物性評価等を概ね予定通り遂行されたと判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の研究成果を基に，引き続きLi-14族元素合金及びその他関連試料(Li-他元素合金，多元系Li合金等)の合成を行う。また，理論計算グループと連携し必要に応じて薄膜や単結晶試料の合成も試みる。得られた試料については，熱分析を用いた窒化特性等の評価を行うと共に，X線回折測定を用いた生成物の相同定を行う。また，走査電子顕微鏡(SEM)や透過電子顕微鏡(TEM)を用いた生成物の観察，核磁気共鳴(NMR)実験を用いた試料中Liの化学状態分析等を行う
理論計算については，Li合金の相安定性に関する研究及び，初年度に準備を進めた分子動力学計算を用いた合金表面での窒素解離，及びLi原子の拡散ダイナミクスに関する研究を実施する。実験グループと連携して対象とする系を検討し，実験結果との比較を行いながら効率的且つ実質的な研究を進める。
初年度に引き続き，種々のLi合金の窒化，アンモニア合成，再生反応後バルク試料を作製し，FIB(Focused ion beam)加工を用いた断面電子顕微鏡観察及びエネルギー分散型X線分光(EDS)を用いた元素分布の調査を行う。得られた結果を比較，解析し，合金中のLi原子の拡散ダイナミクスやその制御因子について議論を行う。
効率的に研究を遂行するため，研究打合せ及び成果報告会を年に数回実施し，研究内容の共有や今後の方針について議論を行う。本研究期間で得られた成果をまとめ，学会発表を積極的に行うと共に，論文として科学系学術雑誌へ投稿する。また，知的財産としての価値が認められると判断される成果については特許出願を行う。
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