2021 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of high-density hydrogen storage materials using hydrogen boride nanocomposite
Publicly Offered Research
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
21H00015
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70373305)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ホウ化水素 / 水素放出 / ナノコンポジット / 水素化マグネシウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、我々が世界で初めて単離生成を実現した新規二次元物質であるホウ化水素シートを基軸とした新規ナノコンポジット材料を調製し、新しい高密度水素貯蔵材料群を創出することです。本年度は水素吸蔵合金として知られる水素化マグネシウムとホウ化水素シートのナノコンポジットの調製を行い評価しました。具体的には、遊星型ボールミル機を用いたボールミルによる粉砕で、水素化マグネシウムの結晶子径をナノメートルサイズとし、ホウ化水素シートと物理混合をしました。この結果、このナノコンポジットを加熱すると水素放出後にマグネシウムがホウ化水素シート上で原子レベルに高分散することが示されました。X線回折では回折ピークが消失し、透過電子顕微鏡観察とエネルギー分散型X線分析による元素マップ解析では原子サイズのマグネシウムがホウ化水素シート上で高分散している様子が観測されました。これは、比較のために行ったホウ化水素シートと混合しない場合の結果（凝集が起こる結果）とは大きく異なる興味深い結果です。ごく最近の中国の研究グループの報告では、水素化マグネシウムをグラフェンナノシートと混合してナノコンポジット化とすると、水素化マグネシウムナノ粒子の凝集が防げられ、ナノ粒子に特異的な低い水素放出温度を維持できるという結果が示されています。本研究はグラフェンではなくホウ化水素を用いることで、ナノ粒子よりもサイズが小さく高分散したマグネシウムの状態を実現できたことになります。今後、このナノコンポジットに対する水素の再貯蔵や放出特性を詳細に解析し、これまでにない新しい高密度水素貯蔵材料としての特性の最適化を行っていく予定です。また、この研究課題と並行してハイドロジェノミクスの領域内の複数の研究者との共同研究を進めました。この結果、A05班の濱田先生との共同論文を出版したほか、A04班の劒先生との特許申請を行いました。
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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
本研究ではホウ化水素シートと水素化マグネシウムのナノ粒子を混合させて加熱することで、ナノ粒子よりもサイズが小さく高分散したマグネシウムの状態をホウ化水素シート上に形成することに成功しました。今後、このナノコンポジットに対する水素の再貯蔵や放出特性を詳細に解析し、これまでにない新しい高密度水素貯蔵材料としての特性の最適化を行っていく予定が切り拓かれました。また、この研究課題と並行してハイドロジェノミクスの領域内の複数の研究者との共同研究を進めました。この結果、A05班の濱田先生との共同論文を出版したほか、A04班の劒先生との特許申請を行いました。このようにおおむね順調に研究が進展しています。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究ではホウ化水素シートと金属水素化物微粒子のコンポジットを作成し水素放出温度をはじめとする特性を制御することを基本的な設計指針としています。現在のところ、原子レベルでマグネシウムが高分散化したホウ化水素シートの形成が確認されており大変興味深い物質が形成されています。この物質の特性をまず調べるところから始める予定ですが、これだけでは放出温度の狭範化や水素の再貯蔵や物質の安定性が確保できる保証はありません。特に、ホウ化水素シートと金属ナノ微粒子のナノコンポジットが形成できても、全ての水素が放出された場合には安定な金属ホウ化物が形成されて再貯蔵に工夫が必要になる可能性が考えられます。本研究では、水素が抜けた後に形成される安定化した構造を積極的に利用する方法と、水素が抜けた後に構造変化をせずに安定性を保持できるような担体材料とのハイブリッド化を進める方法の2通りで、水素放出温度の制御と共に狭範化を実現させます。前者は金属ホウ化物を水素循環サイクルに組み込む方式の設計で、後者は水素再貯蔵が温和な条件で可能となるようにPdクラスターや錯体分子とのハイブリッド化など既存の機能性材料を積極的に組み合わせる方式です。具体的には次の3項目を実施します：(i)加熱処理により水素放出を行った後の安定構造への窒素ドープと構造解析、(ii)グラフェンや窒素ドープグラフェンとのスタックを介したハイブリッド化、(iii)Pdクラスターや錯体分子とのハイブリッド化による水素再貯蔵特性の制御。いずれも、効果を縦軸、ハイブリッド量を横軸とした評価を精密に行い、基礎科学的且つ定量的に各効果をその起源と共に解明します。最終的にこれらを複合化させて最適な高密度貯蔵材料群を創出します。
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[Journal Article] Chemical stability of hydrogen boride nanosheets in water2021
Author(s)
Kurt Irvin Rojas, Nguyen Thanh Cuong, Hiroaki Nishino, Ryota Ishibiki, Shin-ichi Ito, Masahiro Miyauchi, Yoshitaka Fujimoto, Satoshi Tominaka, Susumu Okada, Hideo Hosono, Nelson Jr., Arboleda, Takahiro Kondo, Yoshitada Morikawa, Ikutaro Hamada
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Journal Title
Communications Materials 2 (2021) 81. (8 pages)
Volume: 2
Pages: 81-1~8
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Electronic structure of a borophene layer in rare-earth aluminum/chromium boride and its hydrogenated derivative, borophane2021
Author(s)
Masahito Niibe, Mathis Cameau, Nguyen Thanh Cuong, Omeji Ilemona Sunday, Xiaoni Zhang, Yuki Tsujikawa, Susumu Okada, Kunio Yubuta, Takahiro Kondo, and Iwao Matsuda
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Journal Title
Physical Review Materials
Volume: 5
Pages: 084007-1~8
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps2021
Author(s)
H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto , M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li, S. L. Shinde, M. Lima, T. Sakurai, E. Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K. Watanabe, S. Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono and T. Kondo
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Journal Title
Journal of Materials Chemistry A
Volume: 9
Pages: 24631-24640
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] 可変バンドギャップを持つ硫化ホウ素ナノシートの生成と評価2022
Author(s)
日下 陽貴, 石引 涼太, 豊田 雅之, 藤田 武志, 徳永 智春, 山本 明保, 宮川 仁, 松下 恭介, 宮﨑 啓佑, L. Li, S. S. Laxman, M. S. L. Lima, 櫻井 岳暁, 西堀 英治, 増田 卓也, 堀場 弘司, 渡邊 賢司, 齋藤 晋, 宮内 雅浩, 谷口 尚, 細野 秀雄, 近藤 剛弘
Organizer
第14回日本ホウ素・ホウ化物研究発表会
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[Presentation] Substitutional doping from boron to carbon in hydrogen boride sheets2021
Author(s)
R. Kawamura, R. Ishibiki, Y. Fujimoto, T. Goto, S. Ito, T. Fujita, T. Tokunaga, M. Miyauchi, S. Iimura, A. Yamamoto, D. Umeyama, S. Tominaka, S. Saito, H. Hosono, and T. Kondo
Organizer
The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
Int'l Joint Research
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[Presentation] Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps2021
Author(s)
H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto, M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li, S. S. Laxman, T. Sakurai, E. Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K.Watanabe, S.Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono, and T. Kondo
Organizer
The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
Int'l Joint Research
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[Presentation] Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps2021
Author(s)
H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto, M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li, S. S. Laxman, T. Sakurai, E. Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K. Watanabe, S. Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono, and T. Kondo
Organizer
Materials Research Meeting 2021 (MRM2021)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Substitutional doping from boron to carbon in hydrogen boride sheets2021
Author(s)
Riku Kawamura, Ryota Ishibiki, Yoshitaka Fujimoto, Taiga Goto, Shin-ichi Ito, Takeshi Fujita, Tomoharu Tokunaga, Masahiro Miyauchi, Soshi Iimura, Akiyasu Yamamoto, Daiki Umeyama, Satoshi Tominaka, Susumu Saito, Hideo Hosono and Takahiro Kondo
Organizer
Materials Research Meeting 2021 (MRM2021)
Int'l Joint Research
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