2021 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, グループリーダー (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 / 水素貯蔵 / 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,Ⅱで構築した高密度化技術を駆使して、ステージⅢに展開する。引き続き、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）との研究項目・計画研究をまたいだ連携、さらには複数の公募研究や海外研究機関との連携を、より強化した。
１）ステージⅠで開発した内部水素源を用いて合成したアルミニウム-鉄系水素化物の結晶構造や脱水素化反応特性をA01内連携により詳細に解明するとともに、高配位型水素クラスターとして最も配位数が多いと予測する9配位水素クラスターを含む高密度水素化物の系統的な合成も進めた。
２）水素とホウ素から形成された水素クラスターを含む高密度水素化物でのリチウム超イオン伝導性の研究を大きく展開して、カルシウムイオンや亜鉛イオンの高速伝導性を実現する新たな高密度水化物の合成にも成功した。特に、カルシウムイオンを含む高密度水素化物に関しては、それを完全溶解可能な混合溶媒なども見出してカルシウム用電解質として機能付与することで、海外研究機関と連携して新たなカルシウム電池の設計・原理実証に至った。
３）さらに、A05等との連携で国内の量子ビーム関連施設を用いてナトリウム-アルミニウム系水素化物の水素貯蔵機能に対する金属塩化物の添加効果の詳細な解明に至った。
４）水素貯蔵機能に関しては、公募研究も含めた連携研究に基づいて、例えばホウ素―水素系から構成される二次元材料での機能付与に向けた研究も展開した。
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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
上述したカルシウムイオン伝導性に関しては、これまで知られている範囲では固体中での世界最高値となり、前年のマグネシウムイオン伝導性に続き予想外の成果となった。さらに、海外研究機関とも連携した新たなカルシウム電池に関する成果は、特許出願にも至るとともに、国内外の各種メディアやサイエンスポータルサイトでも広く紹介された。また、掲載国際学術誌においても、材料系・化学系・電池系3部門で注目論文として選定され、まさに分野を超えて学術的に高く評価される成果となった。またアルミニウム-鉄系水素化物の研究に関しても、ありふれた元素のみから構成された新たな水素貯蔵材料の研究としてNextTech2050（日経産業新聞）のひとつとして高い注目を集めた。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 |
最終年度のまとめ上げに向けて、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、さらに海外研究機関との連携を強化することで、ステージⅢを完遂する。
１）高圧合成と化学合成を組合わせて、9配位水素クラスターを含む高密度水素化物群を系統的に合成するとともに、それらの高次水素機能の誘起に向けた研究をさらに展開する。
２）国内外の量子ビーム関連施設や高精度な熱分析等を用いて、また水素データ同化技術をはじめとした数理科学的手法を導入することで、引き続き水素クラスターの動的挙動と周囲の様々な陽イオン伝導性との相関、特に協奏運動に関して詳細な解明を進める。
３）さらに、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、亜鉛イオンなど、各種多価イオンを含む高密度水素化物にも展開し、全固体あるいは液系電池を含めた次世代電池設計に向けた研究を加速する。
４）公募研究も含めた連携研究に基づいて、新たな水素クラスターや二次元材料等を合成、領域内連携での高次水素機能の誘起により、超イオン伝導・超伝導・高密度水素貯蔵等を示す超機能材料の合成を目指す。
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Research Products
(34 results)
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[Journal Article] Generating mechanism of catalytic effect for hydrogen absorption/desorption reactions in NaAlH4-TiCl32021
Author(s)
K. Ikeda, F. Fujisaki, T. Otomo, H. Ohshita, T. Honda, T. Kawamata, H. Arima, K. Sugiyama, H. Abe, H. Kim, K. Sakaki, Y. Nakamura, A. Machida, T. Sato, S. Takagi, S. Orimo
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Journal Title
Applied Sciences
Volume: 11
Pages: 8349-1～16
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Hydrogen storage by earth-abundant metals, synthesis and characterization of Al3FeH3.92021
Author(s)
H. Saitoh, T. Sato, Tanikami, K. Ikeda, A. Machida, T. Watanuki, T. Taguchi, S. Yamamoto, T. Yamaki, S. Takagi, T. Otomo, S. Orimo
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Journal Title
Materials & Design
Volume: 208
Pages: 109953-1～7
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] NaAlH4-TiCl3の水素放出再吸蔵過程における中性子・X線散乱による構造解析と触媒効果の発現2022
Author(s)
池田一貴, 藤﨑布美佳, 大友季哉, 大下英敏, 本田孝志, 川又透, 有馬寛, 杉山和正, 阿部仁, H. Kim, 榊浩司, 中村優美子, 町田晃彦, 佐藤豊人, 高木成幸, 折茂慎一
Organizer
日本金属学会2022年春期（第170回）大会
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[Presentation] アルミニウム-遷移金属合金水素化物の合成2021
Author(s)
齋藤寛之, 内海伶那, 町田晃彦, 綿貫徹, 山本春也, 田口富嗣, 八巻徹也, 佐藤豊人, 髙木成幸, 折茂慎一, 池田一貴, 大友季哉
Organizer
日本金属学会2021年秋期（第169回）大会
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