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

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K14773
• 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, 研究職 (50716107)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 水素 / 金属ナトリウム / 低沸点溶媒 / X線回折（XRD） / 熱重量・示差熱分析（TG－DTA） / 質量分析（MS）

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）による均質な混合試料を使用した熱分析（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。
2022年度は、ナトリウム微粒子の作製技術を開発し、作製試料を用いたNa＋NaOH反応の熱的挙動について熱分析を開始した。ナトリウム微粒子作製では、鉱物油中に分散したナトリウム微粒子を抽出するべく、鉱物油を低沸点溶媒に置換した後に、不活性雰囲気下で低沸点溶媒を蒸発させ、乾燥粉末を作製した。そして、粉末X線回折（室温）及び熱分析（TG－DTA／MS）で粉末の特性を評価した。その結果、粉末のX線回折プロファイル及び昇温時の融点はナトリウムと一致し、昇温過程で有意な重量減少は生じないため、ほぼ不純物を含有しないナトリウム微粒子の粉末であることが示唆された。また、Na＋NaOH反応の熱的挙動分析では、上記のナトリウム粉末と、水酸化ナトリウム粉末による均質な混合試料の熱分析（TG－DTA／MS）を行った。その結果、従来の不均質な混合試料に比べて、質量分析において反応温度を特定できる鋭い水素放出ピークが検出され、混合試料内で均質な反応場が形成されていることが示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2022年度は、ナトリウム微粒子の作製技術を開発するとともに、作製したナトリウム粉末と水酸化ナトリウム粉末による均質試料の熱分析（TG－DTA／MS）を開始し、水素放出反応（Na＋NaOH反応）が生じていることを確認することができた。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）の測定データを拡充し、反応速度を評価する。また、次年度から温度可変な化学分析（X線回折測定、ラマン分光分析）を開始し、昇温時に生じる水酸化ナトリウムの結晶構造や化学結合の変化をその場観察する。さらに、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。

Causes of Carryover

国内学会への参加を次年度に延期したため、旅費相当の経費について次年度使用額が生じることとなった。次年度使用額は、2023年度分研究費と合わせて、研究成果発表に係る費用や研究で使用する消耗品購入に係る費用として使用する。