2013 Fiscal Year Research-status Report
微細・薄膜・積層化によるMg系合金の水素吸蔵量・放出温度の改善とその機構の解明
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25420035
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
納冨 充雄 明治大学, 理工学部, 教授 (70218288)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 水素吸蔵合金 |
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| Research Abstract |
H25年度はMg-Cu合金とMg/Fe積層体について製造方法を確立し，水素放出温度および水素化物の状態を調べた．Mg-Cu合金は水素吸蔵・放出特性改善を目指して2つのアプローチをとった．第1にLaves相構造を有するMgCu2に対して，Mgの一部を水素吸蔵効果のあるCaに置換し，ボールミリングによりMg:Ca:Cuを0.8:0.2:2，0.9:0.1:2，0.95:0.05:2となる3種類のMg-Cu合金を作製した．同試料に水素化処理を施し，DSCにて水素放出温度を測定し，MgH2と比較した．さらにXRDにて結晶構造を調べた．
2つ目はGraphiteを添加することによりMg-Cu合金の特性改善を目指す．ボールミリングによりMg-5wt%Graphite，Mg2Cu，Mg2Cu-5wt%Graphiteの3種類の試料を作製した．200℃，2.5MPaで水素化処理を行い，比較のためにMgH2と合わせて，SEMによる形態観察，XRDによる結晶構造解析，DSCによる水素放出温度測定を行った．SEM観察の結果，ボールミリングによって粒子は20μm程度から1～10μm程の粒径となり，粒子表面におけるき裂の存在や微細化された粒子で構成される凝集体が観察された．XRD解析の結果，水素化処理後のMg-CuおよびMg-Cu-GraphiteではMg表面に結晶ひずみが導入さることが分かった．
次にMg/Fe積層体について検討する．独自に設計されたPLD装置によりMg/Fe/Ti積層薄膜を作製した．PLD法はレーザー光で原子振動を励起することにより真空中に原子を昇華させ，それを基板の上に堆積させることにより膜を形成する方法で，レーザー源を真空槽の外部におくことにより，真空環境の清浄性が保たれ，槽がコンパクトとなる方法である．基板2種類，積層順3種類を組み合わせて４種類の試料を作製し，DSCとXRDにて水素吸蔵特性を調べた．
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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
Mg-Ca-Cu合金においては，3種類いずれの試料に対してもDSC測定において250℃近傍でわずかな吸熱ピークと390℃における大きな吸熱ピークが認められた．これはいずれも水素放出の際の吸熱反応を示唆していると考えられ，Mg単体の水素放出温度430℃に対して減少している．しかし，XRD解析にて水素化物の生成が確認できていないため，多量の水素を吸収するのは困難であると推察している．
Mg-Graphite合金はDSC測定の結果では，いずれの試料でも水素放出に伴う吸熱ピークが観察された．ここで，Mg-Graphiteの温度はMgH2とほぼ同じであったが，Mg-Cuは20℃，Mg-Cu-Graphiteは28℃先の値より低くなった．Mg系合金は表面における酸化物層によって水素吸蔵・放出反応が妨げられるが，Graphiteによって試料表面に炭素被膜が形成され，この層が試料表面の酸化を防ぐことで水素放出温度改善につながったと考えられる．しかし，水素放出温度が28℃の低下にとどまったことから，さらに，水素化反応を促進するための方策が必要と考えられる．
基板をPolyimideとしたPolyimide/Mg/Fe/Ti，Polyimide/Fe/Mg/Ti，Polyimide/Fe/Mgの中で，水素化処理後のDSC測定による吸熱ピークが確認されたのは，Polyimide/Fe/Mg/Tiのみであった．一方，基板をSUSに変更したSUS304/Fe/Mg/Tiでは吸熱ピークは確認されなかった．さらにXRD解析により，Polyimide/Fe/Mg/Tiでは水素化処理後にMg水素化物が形成され，続くDSC測定後にその水素化物が消滅していることが確認された．以上の結果より，4種類の試料の中で唯一Polyimide/Fe/Mg/Tiが水素吸蔵・放出特性を有することが分かった．
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| Strategy for Future Research Activity |
現状のMg-Ca-Cu合金に対しては良い結果が得られていないため，配合比を変更しCaMg2合金にCuを添加する方針に変更する．既に他研究機関にてCaMg2合金は吸蔵量約5wt.%，放出温度約350℃という結果が得られている．この放出温度は実用の障害であるので，Cuによって放出温度の改善を目指す．さらに，単体のCaは酸化，炭化しやすいため，空気中で酸化，炭化しないCaH2を利用してメカニカルアロイングにて試料作製を試みる．
現状のMg-Cu-Graphite合金に対してさらに特性を改善するために，試料作製時にスペーサ材料としてスターチを使用し，ボールミリング後に加熱による除去処理を施すことで試料に多数の空孔を形成する．これにより水素化反応に貢献する表面積を増加させて反応向上を狙う．
Mg/Fe積層体では，Polyimide/Fe/Mg/Tiが水素を吸蔵・放出することが示されたが，この試料は積層体であり合金ではないので，そのメカニズムについて検討する必要がある．積層順による水素吸蔵特性の違いからTi層は水素吸蔵の際の水素分子を分解する触媒の役割，Fe層は水素放出のための価電子を奪う役割を担っていると考えている．現状では，膜厚が順に7500nm/8nm/340nm/16nmとなっているので，膜厚，特にTi層とFe層の膜厚変化が水素吸蔵特性に及ぼす影響について調べ，そのメカニズムを明らかにする．
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