面内塑性変形パラジウム膜の水素吸蔵反応機構の解明と水素ガスセンサーへの応用

• 研究課題/領域番号: 21K04896
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分29030:応用物理一般関連
• 研究機関: 日本工業大学
• 研究代表者: 加藤 史仁 日本工業大学, 基幹工学部, 教授 (70780170)
• 研究分担者: 荻 博次 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (90252626)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 水素吸蔵材料 / パラジウム / 膜質分析 / 水晶振動子センサー / 水素ガスセンサー / 水素吸蔵膜

研究開始時の研究の概要

化石燃料の代替燃料として、水素エネルギーが注目されている。今後の水素社会における水素インフラの保全や管理には、100ppbオーダの極低濃度の水素ガスを検出できるセンサーが必要となる。パラジウムは、水素吸蔵材料であり、申請者が考案した、『面内塑性変形スパッタリング法』によるパラジウム薄膜は、一般的なパラジウム薄膜に比べ、現状で3倍以上の水素検出感度を得た。本研究では、結晶粒構造変化in-situ計測技術の開発を通じて、『面内塑性変形パラジウム薄膜』の水素吸蔵機構を解明し、更なる水素検出感度向上を実現する成膜手法の確立を目指す。また、検出限界100ppbの超高感度水素ガスセンサーの開発を目指す。

研究成果の概要

面内塑性変形スパッタリング法で成膜したPd薄膜が、一般的なPd薄膜に比べて、水素検出感度と応答速度が向上する要因について、膜質分析を通じて可視化し、そのメカニズムを調査した。Pd薄膜の表面分析では、隆起や鋭い稜線、すべり起因の転位が観察に成功した。また、断面分析では、結晶粒の内部において、結晶欠陥を示す多数の双晶の観察に成功した。Pd薄膜が、水素を吸蔵する際、こうした欠陥部は、水素化物の析出サイトとなり、より多くの水素が吸蔵される。面内塑性変形スパッタリング法によって、Pd薄膜は、内外部共に、多数の欠陥が積極的に形成され、それが一因となり、水素検出感度と応答速度が向上することを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

水素吸蔵材料のPdに関する多くの研究が展開されてきた。これまでも、Pdバルク材に、塑性変形を与えることで、水素検出感度が向上することは報告されてきたが、水素吸蔵機構は、完全には明らかにされていない。本研究では、塑性変形を与えたPd薄膜の膜質分析を通じて、水素検出感度向上の一因を明らかにした。本成果は、Pdの水素吸蔵機構の理解の深化に貢献するものであり、学術的意義が高い。また、面内塑性変形スパッタリング法で成膜したPd薄膜が、一般的なPd薄膜と比べ、高感度・高速応答性能に優れ、水素センサーの感応膜に応用できることを立証しており、安全・安心な水素社会実現に貢献しうる社会的意義ある成果といえる。