2023 Fiscal Year Annual Research Report

Control of hydrogen isotope separation by hydrogen ion permeable hetero electrode interface

Research Project

Project/Area Number	21H01751
Research Institution	Japan Atomic Energy Agency
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)
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)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	同位体効果 / グラフェン / ボロンナイトライド / 水素 / 重水素 / トンネル効果
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、昨年度に続き、二次元薄膜への空孔構造導入技術を発展させ、空孔構造が水素同位体分離能に与える影響について精査した。より高密度の空孔構造をグラフェンに導入するため、イオン照射時間と電流密度を増やしラマン分光法により評価した結果、およそ2nm間隔程度の密度で空孔導入が可能であるが、それ以上のイオン照射ではグラフェンの2Dバンドが大きく減少し、グラフェンがアモルファス化することが明らかとなった。2nm間隔程度の密度の空孔構造を導入したグラフェンを用いて、水素同位体分離能を質量ガス分析装置により評価を行った結果、若干の分離能と印加電圧の減少が観察された。この結果は、空孔構造導入によってグラフェンのバリア高さが減少したことでトンネル効果による分離能の影響が低減した一方で、印加電圧が小さくなったと考えられる。グラフェンのトンネル効果による水素同位体分離は、グラフェンのバリア高さが高いため印加電圧が高くなることが課題となっている。空孔構造導入の結果は、バリア高さを低減することで、分離能は減少するが印加電圧も低減、すなわち反応量に対応する電流量を増加させる制御因子になりえる結果を得た。
Research Progress Status	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
Remarks	2023/06/01 新技術説明会 (オンライン, 口頭)「グラフェンを活用した水素・重水素の新規精製装置」にて発表． 2024/02/07　令和5年度　東海村新産業創出セミナー(東京, 口頭)「水素社会に向けたJAEAの挑戦　―水素、そして重水素が創る新しい未来―」にて発表．