ホウ化水素ナノコンポジットを用いた高密度水素貯蔵材料群の創出

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: ハイドロジェノミクス：高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成
• 研究課題/領域番号: 21H00015
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70373305)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ホウ化水素 / ボロファン / ホウ素 / 水素

研究実績の概要

本研究の目的は、我々が世界で初めて単離生成を実現した新規二次元物質であるホウ化水素シートを基軸とした新規ナノコンポジット材料を調製し、新しい高密度水素貯蔵材料群を創出することです。本年度は水素吸蔵合金として知られる水素化マグネシウムとニッケルナノクラスターを担持したホウ化水素シートのナノコンポジットの調製を行い評価しました。ホウ化水素シートの特性により、ニッケルアセチルアセトナート錯体とホウ化水素シートをアセトニトリル中で混合するだけで金属Niナノクラスターが高分散で自発的に還元してホウ化水素シート上に成長します。透過電子顕微鏡観察で2 nmの直径でNiナノクラスターが担持されていることが確認されました。解析の結果、MgH2の分解に伴う水素放出を起こす温度が150 K低下することがわかり、見かけの活性化エネルギーをキッシンジャー式による解析から算出した結果128.6 kJ/molであることがわかり、通常のMgH2に比べて約 30kJ/mol低下することがわかりました。さらに、623 Kで最大水素圧力2 MPaの条件下で水素圧力－組成－温度（PCT）曲線をプロットし、ファントホフプロットにより熱力学的エネルギーを算出した結果、水素吸蔵前後でのエンタルピー差には違いが無いこともわかりました。興味深い点は、直径2 nmのニッケルが接触するだけで直径10 nm以上のMgH2全体の水素の分解放出挙動が変化している点です。これはMgH2からの水素放出の律速がヒドリドイオンの酸化を伴う水素-水素結合形成過程であることを示唆する結果となっており、今後この過程の高効率化により水素貯蔵材料としての更なる特性向上が期待できます。また、この研究課題と並行してハイドロジェノミクスの領域内の複数の研究者との共同研究を進めました。この結果、昨年度に引き続き、A05班の濱田先生との共同論文を出版しました。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Katsuaki Sugawara, Haruki Kusaka, Tappei Kawakami, Koki Yanagizawa, Asuka Honma, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Shin-ichi Orimo, Masayuki Toyoda, Susumu Saito, Takahiro Kondo, and Takafumi Sato
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 23 ページ: 1673-1679
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04048
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rhombohedral Boron Monosulfide as a p-Type Semiconductor (2023)
  • 著者名/発表者名: Norinobu Watanabe, Keisuke Miyazaki, Masayuki Toyoda, Kotaro Takeyasu, Naohito Tsujii, Haruki Kusaka, Akiyasu Yamamoto, Susumu Saito, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Takashi Aizawa, Takao Mori, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo
  • 雑誌名: Molecules 巻: 28 ページ: 1896 (9 pages)
  • DOI: 10.3390/molecules28041896
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Highly dispersed Ni nanoclusters spontaneously formed on hydrogen boride sheets (2022)
  • 著者名/発表者名: Natsumi Noguchi, Shin-ichi Ito, Miwa Hikichi, Yohei Cho, Kazuho Goto, Atsushi Kubo, Iwao Matsuda, Takeshi Fujita, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo
  • 雑誌名: Molecules 巻: 27 ページ: 8261 (12 pages)
  • DOI: 10.3390/molecules27238261
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electronic Topological Transition of 2D Boron by the Ion Exchange Reaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiaoni Zhang, Yuki Tsujikawa, Ikuma Tateishi, Masahito Niibe, Tetsuya Wada, Masafumi Horio, Miwa Hikichi, Yasunobu Ando, Kunio Yubuta, Takahiro Kondo, Iwao Matsuda
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 126 ページ: 12802-12808
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c02431
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carbon dioxide adsorption and conversion to methane and ethane on hydrogen boride sheets (2022)
  • 著者名/発表者名: Taiga Goto, Shin-ichi Ito, Satish Laxman Shinde, Ryota Ishibiki, Yasuyuki Hikita, Iwao Matsuda, Ikutaro Hamada, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 5 ページ: 118 (10 pages)
  • DOI: 10.1038/s42004-022-00739-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] カーボンニュートラルに貢献する材料の開発研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 学会等名: 産学連携炭素材料研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 菱面体硫化ホウ素(r-BS)の光触媒特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮﨑啓佑、山口晃、日下陽貴、渡邉範陳、宮川仁、谷口 尚、近藤剛弘、宮内雅浩
  • 学会等名: 第27回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」
• [学会発表] Hydrogen boride and boron monosulfide sheets (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: The 8th Southeast Asia Collaborative Symposium on Energy Materials (SACSEM 8th)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hydrogen boride sheets and boron monosulfide sheets (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: The International Boron Symposium (BORON2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spontaneous reduction reaction of Ni ion by hydrogen boride sheets (2022)
  • 著者名/発表者名: Natsumi Noguchi, Shin-ichi Ito, Miwa Hikichi, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • 国際学会
• [学会発表] r-BS as a metal-free electrocatalyst for OER with high performance and strong durability (2022)
  • 著者名/発表者名: Linghui Li, Cheng Jiang, Haruki Kusaka, Norinobu Watanabe, Takeshi Fujita, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Takahiro Kondo
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluating the interaction of hydrogen boride sheets and water (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurt Irvin M Rojas, Nguyen Thanh Cuong, Hiroaki Nishino, Ryota Ishibiki, Shin-ichi Ito, Masahiro Miyauchi, Yoshitaka Fujimoto, Satoshi Tominaka, Susumu Okada, Hideo Hosono, Nelson B. Arboleda Jr., Takahiro Kondo, Yoshitada Morikawa, Ikutaro Hamada
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • 国際学会
• [学会発表] Three-dimensional boron network compounds composed of B, Ca and H through proton-exchange reaction of CaB6 (2022)
  • 著者名/発表者名: Hikari Yoshioka, Satoshi Tominaka, Ben Slater, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • 国際学会
• [学会発表] MgH2 Nanoparticle-Hydrogen Boride Sheet Nanocomposites for Hydrogen Storage (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuho Goto, Shin-ichi Ito, Takeshi Fujita, Hideo Hosono, Shin-ichi Orimo, Takahiro Kondo
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • 国際学会
• [学会発表] Exploration of new 2D materials composed by boron and phosphorus with 1:1 stoichiometric ratio by controlling temperature and pressure (2022)
  • 著者名/発表者名: Norinobu Watanabe, Haruki Kusaka, Akiyasu Yamamoto, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Takahiro Kondo
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • 国際学会
• [学会発表] To explore the synthesis conditio21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)n of h-BP (2022)
  • 著者名/発表者名: Norinobu Watanabe, Haruki Kusaka, Akiyasu Yamamoto, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi and Takahiro Kondo
  • 学会等名: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis of three-dimensional boron network compounds composed of B, Ca and H through proton-exchange reactions (2022)
  • 著者名/発表者名: Hikari Yoshioka, Satoshi Tominaka, Ben Slater, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 学会等名: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Reduction reaction of Ni ions on hydrogen boride sheets (2022)
  • 著者名/発表者名: Natsumi Noguchi, Shin-ichi Ito, Miwa Hikichi, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo
  • 学会等名: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • 国際学会
• [学会発表] r-BS as a promising high performance with strong durability metalfree electrocatalyst for OER (2022)
  • 著者名/発表者名: Linghui Li, Cheng Jiang, Haruki Kusaka, Norinobu Watanabe, Takeshi Fujita, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Takahiro Kondo
  • 学会等名: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Highly dispersed MgH2 nanoparticle-Hydrogen boride sheet nanocomposites for superior hydrogen storage materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Goto Kazuho, Shin-ichi Ito, Takeshi Fujita, Hideo Hosono, Shin-ichi Orimo, Takahiro Kondo
  • 学会等名: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Rhombohedral boron monosulfide and 2D boron monosulfide sheets (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New two-dimensional material of hydrogen boride sheets Hydrogen (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: Toyota FC research global workshop (Hydrogen Storage)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 2nd Global Summit and Expo on Graphene and 2D Materials (2DMAT2022) (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: Hydrogen boride sheets and boron monosulfide sheets
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 典型元素で構成される新しい機能性物質の開拓 (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 学会等名: 分子研物質分子科学研究領域研究会「物質分子科学の研究展望」
  • 招待講演
• [学会発表] 水素とホウ素で構成されるホウ化水素シート材料の機能と展開 (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 学会等名: 水素科学技術連携研究会第1回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Composite of MgH2 Nanoparticles and Hydrogen Boride Sheets for Efficient Hydrogen Storage Material (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuho Goto, Takeshi Fujita, Shin-ichi Ito, Hideo Hosono, Shin-ichi Orimo, Takahiro Kondo
  • 学会等名: 2nd Int. Symposium "Hydrogenomics"