非混合性金属のナノ界面構造が誘起する内部応力場下の水素貯蔵・供給反応機構と制御

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H01744
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 浅野 耕太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (30415640)
• 研究分担者: Kim Hyunjeong 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (00614645) ; 和田 武 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (10431602) ; 榊 浩司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (20392615) ; 片岡 理樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (20737994) ; CHARBONNIER Veronique 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究員 (30880801) ; 小川 智史 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (70739101)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: エネルギー関連材料 / 水素貯蔵材料 / ナノ構造制御 / 構造解析

研究実績の概要

本研究では、高水素密度かつ低材料コストの水素貯蔵材料の創製を目的とする。希少遷移金属の使用から脱却し、MgH2およびYH3といった水素の高密度貯蔵に有望である金属水素化物の課題であった高い反応温度を低下させるべく、非混合性の異種金属との複合化をナノスケールで進めた。金属水素化物の熱力学的な安定性を制御する鍵は、構造のひずみあるいは変化にあり、ナノスケール化による界面または表面の原子配列に起因した内部応力の発生を利用する。
2021年度はMg-Mn系薄膜合金試料を用いた水素吸蔵放出反応評価により、Mgサイズのナノスケール化により起こるMgH2の不安定化は低温ほど顕著になり、常温付近では最大で2.5桁程度の水素放出圧力の上昇が示唆された。粉体合金試料についてMgとMnの混合状態を調べた結果、機械的混合法に起因してMn中のMgは平らな形状をもち、さらなるサイズ縮小が必要であることが分かった。
2022年度はこれまでに試作した合金試料の水素吸蔵放出反応性評価を進め、特に金属溶湯脱成分法によるバルク体について、Mgサイズの縮小化に力を入れた。前駆合金の組成を工夫してMg溶湯に浸透させる際にMgが成長して粗大化することを妨げた。その結果これまでになく大幅な水素化物相の不安定化を示す兆候が得られた。
2023年度は新たにハイエントロピー合金とMgの薄膜合金試料を作製してその構造と水素吸蔵放出反応の評価を実施した。本研究で用いた同合金は5種の遷移金属から成り、その原子半径の違いから格子ひずみを生じ、隣り合ったナノスケールのMgH2をひずませることでさらなる不安定化が期待できる。実際にMgH2の平衡水素放出圧力の上昇が見られ、目的とする不安定化が観察されたが、一方でMgよりも安定な水素化物相を生成するTiなどが一部のMgH2を安定化してしまう効果も見られ、今後の合金組成の選別の方針を得た。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] デルフト工科大学(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: デルフト工科大学
• [学会発表] Mgとハイエントロピー合金の複合薄膜の水素化・脱水素化反応 (2024)
  • 著者名/発表者名: 浅野耕太、Lars Bannenberg、Herman Schreuders、中平夕貴、町田晃彦、Hyunjeong Kim、榊浩司
  • 学会等名: 日本金属学会春期大会
• [学会発表] Nano-structural configuration of destabilized Mg hydride for moderate hydrogen supply reaction (2023)
  • 著者名/発表者名: Kohta Asano
  • 学会等名: The second International Workshop on Superfunctional Energy/Nano Materials (SENM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Mg水素化物の不安定化：薄膜・粉体・バルク (2023)
  • 著者名/発表者名: 浅野耕太、 和田武、加藤秀実
  • 学会等名: 日本金属学会秋期大会
• [学会発表] Nano-structural configuration of destabilized Mg hydride for hydrogen storage materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Kohta Asano
  • 学会等名: Summit of Materials Science 2023 and Global Institute for Materials Research Tohoku User Meeting 2023
  • 国際学会 / 招待講演