水素クラスターの機能化-高密度水素貯蔵と準室温超伝導の両面から-

• 研究課題/領域番号: 15686027
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 折茂 慎一 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (40284129)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 24,440千円 (直接経費: 18,800千円、間接経費: 5,640千円); 2005年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2004年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円); 2003年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
• キーワード: 水素クラスター / 錯体水素化物 / 電気陰性度 / 水素貯蔵 / 中性子遮蔽 / ペロブスカイト水素化物 / アルミニウム水素化物 / 燃料電池 / 金属水素化物 / 複合材料 / ペロブスカイト / 水素欠損 / 伝導特性 / リチウム / 高圧水素 / 成膜 / マグネシヴム

研究概要

水素クラスター型(錯体)水素化物としての「軽量金属(M)-ホウ素(B)-水素(H)系材料」や「軽量金属(M)-チッ素(N)-水素(H)系材料」などの研究を更に発展させた。本年度は、アルカリ(土類)金属に加えて遷移金属や希土類金属も含めた広範な種類の金属Mを用いてそれぞれの水素化物を合成するとともに、それらの機能性を大幅に向上させた。主な成果を以下に示す。
1)当該水素化物の熱力学的安定性は、電気陰性度を考慮したMの選定によって実効的に制御できることを見出した。例えば、M-B-H系材料の場合、Mとして電気陰性度が比較的小さな元素群(アルカリ金属や希土類金属、など)を用いることで水素化物が安定化する。この場合、水素放出温度が300℃以上に設定できるので、高密度水素の物性を利用した中性子遮蔽機能などを付与することができた。一方、Mとして電気陰性度が比較的大きな元素群(遷移金属元素、など)を用いることで、水素化物が適度に不安定化する。この場合、水素放出温度が200℃以下に設定できるので、燃料電池技術をはじめとした水素利用技術において重要となる可逆的な高密度水素貯蔵機能を付与することができた。
2)当該水素化物の昇温過程では、B-H系気体やN-H系気体などの水素以外の気体が放出される可能性がある。これらの不純物放出は、水素貯蔵機能や中性子遮蔽機能をはじめとした機能化に際して阻害要因となりうる。そこで水素以外の不純物放出の要因を検討することにより、B-H系気体に関してはMの電気陰性度を適正化すること、N-H系気体に関しては他の錯体水素化物あるいは水素化物と複合化すること、などによりこの不純物放出が抑制できることを実証した。
その他、ペロブスカイト水素化物やアルミニウム水素化物での多様な水素クラスターに関する研究も進め、結晶構造に強く依存した水素放出特性や伝導特性に関する基礎的知見を得た。

研究成果

• [雑誌論文] 特集 水素貯蔵合金の最近の研究開発,錯体水素化物での高密度水素貯蔵 (2006)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一, 中森裕子
  • 雑誌名: 金属 76 ページ: 9-14
• [雑誌論文] Neutronics assessment of advanced shield materials using metal hydride and borohydride for fusion reactors (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Hayashi et al.
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 81 ページ: 1285-1290
• [雑誌論文] Intrinsic and mechanically modified thermal stabilities of α-, β- and γ-aluminum trihydrides AlH_3 (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Orimo et al.
  • 雑誌名: Applied Physics A 83 ページ: 5-8
• [雑誌論文] Dehydriding and rehydriding reactions of LiBH_4 (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Orimo et al.
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 404-406 ページ: 427-430
• [雑誌論文] First-principles study on lithium amide for hydrogen storage (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Miwa et al.
  • 雑誌名: Physical Review B 71
• [雑誌論文] Destabilization of LiRH_4 by mixing with LiNH_2 (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Aoki et al.
  • 雑誌名: Applied Physics A 80 ページ: 1409-1412
• [雑誌論文] Hydrogen storage properties of Li-Mg-N-H systems (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamori et al.
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 404-406 ページ: 396-398
• [雑誌論文] Guidelines for developing amide-based hydrogen storage materials (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamori et al.
  • 雑誌名: Materials Transaction 46 ページ: 2093-2097
• [雑誌論文] First principles study on copper-substituted lithium borohydride (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Miwa et al.
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 404-406 ページ: 140-143
• [雑誌論文] 水素貯蔵としての錯体水素化物の研究 (2005)
  • 著者名/発表者名: 中森裕子, 折茂慎一
  • 雑誌名: 未来材料 5 ページ: 8-13
• [雑誌論文] M-N-H systems for high-performance hydrogen storage (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamori et al.
  • 雑誌名: Transactions of the Materials Research Society of Japan 30・4 ページ: 971-974
• [雑誌論文] 水素貯蔵のための錯体水素化物 (2005)
  • 著者名/発表者名: 中森裕子, 折茂慎一
  • 雑誌名: まてりあ(日本金属学会会報) 44 ページ: 192-196
  • NAID: 10015596589
• [雑誌論文] Reversible hydrogen storage functions for the mixtures of Li_3N and Mg_3N_2 (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamori et al.
  • 雑誌名: Applied Physics A (Rapid Communication) 80 ページ: 1-3
• [雑誌論文] Destabilization of Li-based complex hydrides (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamori et al.
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 370 ページ: 271-275
• [雑誌論文] Synthesis of LiNH_2 films by vacuum evaporation (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamori et al.
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 377
• [雑誌論文] First principles study on lithium borohydride LiBH_4 (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Miwa et al.
  • 雑誌名: Physical Review B 69
• [雑誌論文] Destabilization and enhanced dehydriding reaction of LiNH_2 - an electronic structure viewpoint (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Orimo et al.
  • 雑誌名: Applied Physics A (Rapid Communication) 79 ページ: 1765-1767
• [雑誌論文] Synthesis and dehydriding studies of Mg-N-H systems (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamori et al.
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 137 ページ: 309-312
• [図書] 水素・燃料電池ハンドブック (2006)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一, 中森裕子
  • 出版者: オーム社(印刷中)
• [図書] 電子材料ハンドブック,第2章金属材料,燃料電池用材料 (2006)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 出版者: 朝倉書店(印刷中)
• [図書] 「エネルギーの辞典」,第8章水素エネルギー,水素貯蔵・輸送技術(日本エネルギー学会編) (2005)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一 他
  • 出版者: 朝倉書店(印刷中)
• [文献書誌] S.Orimo, Y.Nakamori, A.Zuttel: "Material properties of MBH_4 (M = Li,Na,and K)"Materials Science & Engineering B. 108. 51-53 (2004)
• [文献書誌] Y.Nakamori, S.Orimo: "Li-N based hydrogen storage materials"Materials Science and Engineering B. 108. 48-50 (2004)
• [文献書誌] Y.Nakainori, S.Orimo: "Destabilization of Li-based complex hydrides"Journal of Alloys and Compounds. 印刷中. (2004)
• [文献書誌] Y.Nakamori, T.Yamagishi, M.Yokoyama, S.Orimo: "Synthesis of LiNH_2 film by vacuum evaporation"Journal of Alloys and Compounds Letter. 印刷中. (2004)
• [文献書誌] 中森裕子, 折茂慎一: "高密度水素貯蔵材料としてのリチウム系錯体水素化物の研究-元素置換による材料設計の必要性-"燃料電池. 3・3. 20-23 (2004)
• [文献書誌] 中森裕子, 折茂慎一: "リチウム-水素系材料での新たな機能設計"まてりあ(日本金属学会会報). 42・11. 822-828 (2003)
• [文献書誌] 中森裕子, 折茂慎一(共著): "図解 燃料電池のすべて (高密度水素をクラスター状にして貯蔵する-燃料電池技術を強力に支援する錯体系の水素貯蔵材料-)"工業調査会. 263 (2003)