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アルミニウムー遷移金属薄膜の大気からの水素吸蔵メカニズム

研究課題

研究課題/領域番号 23K23089
補助金の研究課題番号 22H01821 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分26040:構造材料および機能材料関連
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

齋藤 寛之  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 放射光科学研究センター, グループリーダー (20373243)

研究分担者 田口 富嗣  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子技術基盤研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員 (50354832)
山本 春也  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子技術基盤研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員 (70354941)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2024年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2022年度: 13,000千円 (直接経費: 10,000千円、間接経費: 3,000千円)
キーワード水素吸蔵 / スパッタ / アルミニウム合金 / マグネトロンスパッタ / 放射光
研究開始時の研究の概要

スパッタ法で作製したアルミニウムー鉄(Al-Fe)合金薄膜が、成膜後に大気中に取り出すだけで約1重量%の水素を吸蔵することを発見した。本研究ではAl-FeをはじめとするAl-TM薄膜の水素吸蔵メカニズムの解明をめざす。具体的には、大気から水素を取り込むメカニズム、および、薄膜中の水素の安定化機構、アモルファス構造と水素吸蔵能の関係を調べる。得られる成果は新規創エネルギーデバイスの実現、水素貯蔵の低コスト化につながるものと期待する。

研究実績の概要

申請者らはマグネトロンスパッタ法で作製したアルミニウム-鉄(Al-Fe)合金薄膜が、成膜後に大気中に取り出すだけで約1重量%の水素を吸蔵すること、さらには、吸蔵された水素が常圧下での加熱により水素ガスとして取り出せることを発見した。Al-Fe合金は従来の水素科学の知見からは水素吸蔵しない材料に分類される。本発見は水素吸蔵しないと考えられていた合金の薄膜が、大気から水素を取り込み吸蔵し放出することを示したものである。Al-遷移金属(TM)薄膜の水素吸蔵は、薄膜が特異な微細組織を有するアモルファル構造をとる場合にのみ実現する。本課題ではAl-FeをはじめとするAl-TM薄膜の水素吸蔵メカニズムの解明をめざす。具体的には、①大気から水素を取り込むメカニズム②薄膜中の水素の安定化機構③アモルファス構造と水素吸蔵能の関係を調べる。水素科学の定石を覆す成果となり、新規創エネルギーデバイスの実現、水素貯蔵の低コスト化につながると期待する。
令和5年度は本科研費により令和4年度に導入した超高真空チャンバーで成膜したAl-Fe系試料について、成膜条件と水素吸蔵量の関係を調べた。成膜条件を最適化し、既存の装置の半分程度の水素吸蔵を本装置によって実現した。加えて作製した薄膜試料についてSEM、および、TEM観察やXRD測定、XAFS測定を実施し、微細構造、組成分布、アモルファス構造、金属元素の価数等の評価を進めている。水素吸蔵量と上記の評価結果の関係を解析し、既設装置と比べた際の水素吸蔵量の低下の原因を調べている。得られる結果から、本研究課題の目的である常圧水素吸蔵メカニズムの解明につなげることを試みている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本課題で導入した超高真空チャンバーを用いて、既存装置で作製したアルミニウム合金薄膜とほぼ同じ微細構造を有する薄膜の成膜に成功している一方で、水素吸蔵量が少ないという違いが確認されていたが、成膜条件を最適化することで既存装置で成膜した試料に対して約半分の水素吸蔵が達成された。SEM、および、TEM観察やXRD測定、XAFS測定により、微細構造、組成分布、アモルファス構造、金属元素の価数の評価などはおおむね計画通りに進んでいる。得られた分析結果と水素吸蔵量の関係から水素吸蔵メカニズム解明につながる知見が得られるつつあり、本研究課題は概ね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

当初の計画通り、(1)大気からの水素吸蔵メカニズムの解明、(2)水素と結合する金属の化学状態の調査、(3)アモルファス構造と水素吸蔵能の関係を調べる。研究推進方法も計画通りとし(1)については各種ガスとの反応実験、(2)についてはTEM-EELSやXAFS測定に加えてFE-SEMに取り付けられた軟X線分光器によるアルミニウムK線の発光分光測定、(3)についてはTEMによる微細組織観察と実験室系のXRD測定装置によるアモルファス構造の回折測定を実施する。本年度は最終年度となるため、年度の後半に成果の取り纏めを実施する。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うちオープンアクセス 2件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 8件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Syntheses of Novel Hydrides Containing Light Elements under High Pressure and High Temperature2023

    • 著者名/発表者名
      Saitoh Hiroyuki
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 64 号: 10 ページ: 2400-2409

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MH2022007

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2023-10-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] 貴金属を使わずにアルミニウムと鉄の合金で水素を蓄える2023

    • 著者名/発表者名
      齋藤寛之
    • 雑誌名

      月刊JETI

      巻: 71 ページ: 61-65

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] 放射光を利用したアルミニウム-遷移金属合金水素化物の高温高圧合成2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤寛之
    • 雑誌名

      日本結晶学会誌

      巻: 64 号: 2 ページ: 165-169

    • DOI

      10.5940/jcrsj.64.165

    • ISSN
      0369-4585, 1884-5576
    • 年月日
      2022-05-31
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] アルミニウムと鉄で水素を蓄える2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤寛之
    • 雑誌名

      クリーンエネルギー

      巻: 31 ページ: 28-34

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] アルミニウムと鉄で水素を蓄える2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤寛之
    • 雑誌名

      金属

      巻: 92 ページ: 57-63

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 放射光と高温高圧合成を活用した新規水素貯蔵材料の探索研究2024

    • 著者名/発表者名
      齋藤 寛之
    • 学会等名
      兵庫県立大学 水素エネルギー共同研究センター シンポジウム2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 放射光と高圧技術を利用した新規水素化物探索研究2024

    • 著者名/発表者名
      齋藤 寛之
    • 学会等名
      日本表面真空学会 関東支部セミナー カーボンニュートラルを切り開く表面真空科学
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Mnに富むAl-Mn合金水素化物の水素吸蔵放出能の評価2023

    • 著者名/発表者名
      内海 伶那, 味戸 沙耶, 中平 夕貴, 齋藤 寛之, 綿貫 徹, 佐藤 豊人, 高木 成幸, 秋山 英二, 折茂 慎一
    • 学会等名
      公益社団法人日本金属学会「水素が関わる材料科学の課題共有研究会」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Mnに富むAl-Mn合金水素化物の高温下における分解圧力の組成依存性2023

    • 著者名/発表者名
      内海 伶那, 味戸 沙耶, 中平 夕貴, 齋藤 寛之, 綿貫 徹, 佐藤 豊人, 髙木 成幸, 秋山 英二, 折茂 慎一
    • 学会等名
      第64回高圧討論会, 日本高圧力学会, 2023-11-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 微量なAlの添加によるAl-Mn合金水素化物の水素放出促進の効果2023

    • 著者名/発表者名
      内海 伶那, 味戸 沙耶, 中平 夕貴, 齋藤 寛之, 綿貫 徹, 佐藤 豊人, 髙木 成幸, 秋山 英二, 折茂 慎一
    • 学会等名
      公益社団法人日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会, 公益社団法人日本金属学会, 2023-09-22
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] High-pressure and high-temperature synthesis of novel hydrides with the aid of in-situ synchrotron radiation x-ray diffraction measurement2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Saitoh
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023, 日本MRS, 2023-12-14
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mn-rich Al-Mn alloy hydrides synthesized under high pressure and high temperature with the aid of in-situ synchrotron radiation X-ray diffraction measurement2023

    • 著者名/発表者名
      Utsumi Reina, Ajito Saya, Nakahira Yuki, Saitoh Hiroyuki, Watanuki Tetsu, Sato Toyoto, Takagi Shigeyuki, Akiyama Eiji
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023, 日本MRS, 2023-12-12
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高温高圧法を用いたAl-Ru合金水素化物の合成2023

    • 著者名/発表者名
      曽木 崇弘, 佐藤 豊人, 内海 伶那, 中平 夕貴, 齋藤 寛之, 綿貫 徹
    • 学会等名
      第64回高圧討論会, 日本高圧力学会, 2023-11-02
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 放射光と高圧研究で分かった!とても身近な金属が水素を蓄える2023

    • 著者名/発表者名
      齋藤 寛之
    • 学会等名
      日本化学会秋季事業 第13回 CSJ化学フェスタ2023,日本化学会, 2023-10-17
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 放射光その場観察を援用した高温高圧下でのMo-Mn合金水素化物の探索2022

    • 著者名/発表者名
      内海 伶那, 齋藤 寛之, 綿貫 徹, 佐藤 豊人, 高木 成幸, 折茂 慎一
    • 学会等名
      第63回高圧討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Search for guidelines for synthesizing low hydrogen affinity alloy hydrides2022

    • 著者名/発表者名
      Reina Utsumi, Masahiro Morimoto, Hiroyuki Saitoh, Tetsu Watanuki, Toyoto Sato, Shigeyuki Takagi, Shin-ichi Orimo
    • 学会等名
      59th European High Pressure Research Group Meeting on High Pressure Science and Technology (EHPRG2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High-pressure synthesis of aluminum-iron alloy hydride2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Saitoh
    • 学会等名
      59th European High Pressure Research Group Meeting on High Pressure Science and Technology (EHPRG2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] マルチアンビル高圧発生装置を用いた金属水素化技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤 寛之, 内海 伶那, 島田 歩, 浅井 祐希, 綿貫 徹
    • 学会等名
      公益社団法人日本金属学会2022年秋期(第171回)講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高圧法と放射光を組み合わせた新しいクラスの水素化物合成2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤寛之
    • 学会等名
      2022年 日本MRS水素科学技術連携研究会 6月研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] High-pressure synthesis of novel metal hydrides consisting of low hydrogen affinity metals2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Saitoh
    • 学会等名
      第2回ハイドロジェノミクス国際会議
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrogen in Al-Fe thin films examined by ERD technique2022

    • 著者名/発表者名
      山本 春也, 齋藤 寛之, 田口 富嗣, 八巻 徹也
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Hydrogen storage in aluminum-iron alloy - implications for development of low cost hydrogen storage material2022

    • 著者名/発表者名
      Nakahira Yuki, Utsumi Reina, Saitoh Hiroyuki, Watanuki Tetsu
    • 学会等名
      The 6th QST International Symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Mnに富むAl-Mn合金水素化物の高温高圧合成2022

    • 著者名/発表者名
      内海 伶那, 齋藤 寛之, 綿貫 徹, 佐藤 豊人, 高木 成幸, 折茂 慎一
    • 学会等名
      水素化物に関わる次世代学術・応用展開研究会 第8回研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 放射光その場観察を用いたMo-Mn 合金水素化物の高温高圧合成2022

    • 著者名/発表者名
      内海 伶那, 齋藤 寛之, 綿貫 徹, 佐藤 豊人, 高木 成幸, 折茂 慎一
    • 学会等名
      公益社団法人日本金属学会2022年秋期(第171回)講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] BL14B1における高圧水素科学研究の動向2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤寛之
    • 学会等名
      SPRUC 高圧物質科学研究会・地球惑星科学研究会合同研究会, SPRUC 高圧物質科学研究会・地球惑星科学研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 放射光その場観察を利用した水素化物探索研究の最近の成果2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤寛之
    • 学会等名
      大阪ニュークリアサイエンス協会 第76回放射線科学研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] アルミニウム合金の水素化物 - 水素吸蔵材料としての可能性2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤寛之
    • 学会等名
      一般社団法人軽金属学会 第142回春期大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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