2019 Fiscal Year Annual Research Report
Synthesis of Super Functional Materials using High-Density Hydrogen
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
18H05513
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
折茂 慎一 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (40284129)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山室 修 東京大学, 物性研究所, 教授 (20200777)
齋藤 寛之 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員(定常) (20373243)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素 / ハイドロジェノミクス / 高次水素機能 / 水素クラスター / 高圧合成 / 超イオン伝導 / 超伝導 / 量子ビーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、これまでのステージⅠで構築した高密度化技術を駆使して、ステージⅡに相当する水素クラスターを含む高密度水素化物の高圧合成や水素クラスターの物性・ダイナミクス解明、機能付与に関する研究を進めた。ここでは、学問分野の枠を超えた水素機能の融合を重視し、研究項目A02（水素界面局在機能）や研究項目A05（水素先端計測・シミュレーション）に加えて、研究項目A03（水素高速移動機能）やA04（水素反応プロセス促進機能）などとの、研究項目・計画研究をまたいだ連携を主に展開した。
１）ステージⅠで開発した内部水素源を用いて、AlとFeなどのありふれた金属だけから構成されるAl3FeH4や、水素が層状に局在したAl2MnH3等、新たな高密度水素化物の高圧合成に成功した。後者では透過電顕での水素の直接観察にも成功した。２）また、水素とホウ素から形成された水素クラスターの高次水素機能により、リチウムイオンが超イオン伝導を示す新たな高密度水素化物も合成した。この高密度水素化物を固体電解質として用いることで、リチウム負極型の全固体電池として世界最高のエネルギー密度に達することも実証した。３）さらに、J-PARC・BL02 DNA分光器を用いて、水素クラスターのダイナミクス解明を目指した中性子準弾性散乱（QENS）を実施、散乱強度や緩和時間の散乱ベクトル・温度依存性等から、200K付近からのダイナミクスの活性化現象や2種類のダイナミクスの存在を示唆する情報が得らえた。４）上記の研究項目・計画研究をまたいだ連携に加えて、公募研究との連携も展開して、高密度水素を配位したホウ化水素シートの多機能化、アルカリ・アルカリ土類金属ボロハイドライドのアンミン錯体形成プロセスやその構造変化に起因する高速イオン伝導性に関する連携も進んだ。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
従来は合成困難とされてきたAlベースの新たな高密度水素化物の高圧合成に成功するとともに、リチウムイオンが超イオン伝導を示す高密度水素化物の材料バリエーションも大きく広がった。後者に関しては、複数の特許出願にまで至っている。また、高配位水素クラスターの研究に関しても、擬回転を含む新規なダイナミクスの解明と機能化につながる情報も得られている。これらを総合的に勘案して、「当初の計画以上に進展している」との自己評価をした。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、研究項目・計画研究をまたいだ連携や公募研究との広域的な連携を展開することで、主にステージⅡを実施する。
１）従来は合成困難とされてきたAlベースの新たな高密度水素化物群の合成とそれらの水素化物での高次水素機能の誘起に向けた研究を展開する。２）海外の量子ビーム関連施設も利用した中性子準弾性散乱（QENS）や高精度な熱分析等を用いて、さらに水素データ同化技術を含む水素先端計算も導入することで、擬回転を含む新規なダイナミクスも踏まえた水素クラスターの回転挙動やリチウム超イオン伝導性との相関解明を進める。３）さらに、リチウムイオンだけでなく、マグネシウムイオンやカルシウムイオンなどの多価イオンを含む高密度水素化物にも展開し、新たな機能付与も目指す。４）公募研究も含めた連携研究に基づいて、従来の水素密度の限界を突破した新たな水素クラスター等を合成、領域内連携での高次水素機能の誘起により水素化物超イオン伝導・超伝導等の超機能材料の合成を目指す。
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Research Products
(54 results)
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[Presentation] Challenge of determination of hydrogen positions in hydrides by white neutron holography2020
Author(s)
K. Ohoyama, Y. Kanazawa, T. Yamamoto, S. Uechi, K. Sugimoto, S. Arase, S. Noda, T. Ishizaki, K. Hayashi, N. Happo, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, T. Sato, S. Orimo
Organizer
1st International Symposium “Hydrogenomics” Combined with 14th International Symposium Hydrogen & Energy
Int'l Joint Research
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[Presentation] Study of hydrogen position in hydrides using white neutron holography2020
Author(s)
T. Yamamoto, S. Uechi, Y. Kanazawa, K. Sugimoto, K. Ohoyama, S. Arase, T. Isizaki, S. Noda, K. Hayashi, N. Happo, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, T. Sato, S. Orimo
Organizer
1st International Symposium “Hydrogenomics” Combined with 14th International Symposium Hydrogen & Energy
Int'l Joint Research
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[Presentation] Fast and slow dynamics of hydrogen cluster material Li6NbH112020
Author(s)
O. Yamamuro, Y. Ohmasa, H. Akiba, S. Takagi, K. Toshima, K. Yokoyama, S. Orimo, H. Saitoh, T. Yamada, Y. Kawakita, K. Ikeda, T. Otomo
Organizer
1st International Symposium “Hydrogenomics” Combined with 14th International Symposium Hydrogen & Energy
Int'l Joint Research
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[Presentation] Structure and dynamics of hydrogen cluster material Li6NbH112020
Author(s)
Y. Ohmasa, S. Takagi, K. Toshima, K. Yokoyama, S. Orimo, H. Saitoh, T. Yamada, Y. Kawakita, K. Ikeda, T. Otomo, H. Akiba, O. Yamamuro
Organizer
1st International Symposium “Hydrogenomics” Combined with 14th International Symposium Hydrogen & Energy
Int'l Joint Research
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