2021 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of novel high-density/high-coordination hydrides by reaction with Mbar-pressure/high-temperature hydrogen.
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 |
21H00030
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
中野 智志 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (50343869)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素化物 / 高温高圧 / 結晶構造 / 二水素結合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ダイヤモンド・アンビル・セル（DAC）と高圧水素を利用し、高水素密度・水素比・高配位数の水素化物を広範囲に探索して、新規機能性水素化物を創成することを目的としている。二元系物質としてアルカリ・アルカリ土類金属水素化物、三元系物質としてIIIA族および遷移金属錯体水素化物を中心に新規物質合成を行った。
アルカリ土類金属をキャリアとする新規イオン伝導体の探索として、Ca(BH4)2の高圧下での多形探索と高圧X線回折による結晶構造解析を行った。Ca(BH4)2は約2GPaで圧力誘起相転移を起こし、高圧相の結晶構造はP21/cと解析された。この構造は常温常圧相と類似しているが、BH4-イオンの配列の変化により、Ca2+イオンがより移動しやすい構造となった。Ca(BH4)2はさらに23GPa以上で新たな相転移を示唆するX線回折パターンが得られた。
アンモニアボランNH3BH3の高圧構造変化では、3-4GPaで格子定数の圧力変化に異常を見出し、この圧力での圧力誘起による二水素結合形成の傍証を得た。この圧力での体積弾性率の変化も観測された。また、高圧Raman散乱実験では、同様の圧力からlibrationモードとtorsionモードのピークが現れ、NH3BH3分子間の相互作用が強まったことが示唆された。これらの格子定数や体積の圧力変化や、Ramanスペクトルの圧力変化は、いずれもDFT計算でも再現され、これらの変化と二水素結合の形成との間にある強い相関性が確認された。
新規水素化物超伝導体の合成を目指した高温高圧実験では、CaH2とCa(BH4)2との混合物と高圧水素の反応によりCaB-Hn系化合物の合成を試みた。150GPaの圧力下でYAGレーザー加熱処理により反応生成物を得た。
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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
新学術領域研究の領域内共同研究者と連携し、イオン伝導や超伝導などの機能性発現を期待できる複数のアルカリ土類金属水素化物を出発試料として、機能性発現を目指した高温高圧実験を進めた。そのうち、いくつかの高圧相の構造を明らかにし、Ca(BH4)2高圧相はイオン伝導性が期待できる構造であることを突き止めた。また、新規超伝導体の合成を目指した計算科学的予測をもとに、メガバール圧力下でYAGレーザー加熱を用いた高温高圧実験によりCa-B-H系多水素化物の合成を試み、新たな生成物を得ることができた。これらの研究の中で、水素化物合成において改めて高圧ないし高温高圧環境の優位性が確認された。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度で得られたアルカリ土類金属水素化物の高圧構造の情報を元に、さらにアンモニアボランとの複合体などに対象物質を展開し、高圧構造制御による水素化物の機能性発現を探索する。また、高温相が超イオン伝導性を示すNa2B12H12の類似化合物として、MgB12H12などアルカリ土類金属系ドデカボランを高温高圧下で得る試みを行う。
新規水素化物超伝導体の合成を目指した高温高圧実験では、得られたCa-B-H系反応生成物についてその構造を明らかにする。さらにLa-B-H系などの三元系水素化物の合成を試みる。
これらの実験を進めるにあたり、新たに1000℃以上の高温高圧実験が可能なHydrothermal DACを導入する。
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