Control of hydrogen isotope separation by hydrogen ion permeable hetero electrode interface

氢离子可渗透异质电极界面控制氢同位素分离

• 批准号: 21H01751
• 负责人: 保田 諭
• 金额: $ 10.82万
• 依托单位: Japan Atomic Energy Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01751/
• 关键词: 同位体分離; グラフェン; 水素; 二次元材料; 同位体効果; ボロンナイトライド; 重水素; トンネル効果; 水素同位体効果; 水素ポンピング

本研究では、二次元薄膜を電極材料に用いた固体高分子形電気化学セルによる重水素濃縮分離デバイスを開発する。また、二次元薄膜を用いた水素同位体分離の学理の発展だけでなく、室温・常圧での重水素の低コスト製造法の知見を得ることを目的とする。本年度は、昨年度に得られた知見を基にし、グラフェン以外の二次元薄膜材料を用いたヘテロ電極構造を構築し、同位体分離能が量子トンネル効果に起因するかどうかの検証を行った。水素ポンピング法によりカソードから排出される水素同位体ガスを質量ガス分析により評価し分離能を算出した。二次元薄膜にはグラフェンと同じ六員環構造をもつが元素が異なるボロンナイトライドを用いた。印加電圧による分離能依存性について評価した結果、電圧が低い場合には高い選択性を有し、電圧を高くするにつれ分離能が低下する、グラフェンを用いた時と同様の結果が得られた。この結果から、1原子層の二次元薄膜材料の水素同位体分離能は、量子トンネル効果に起因することを結論づけた。また、低エネルギーイオン照射装置による二次薄膜への空孔構造導入技術を用いて、空孔構造が水素同位体分離能に与える影響についても検証した。その結果、空孔構造導入前と同様に印加電圧に依存した同位体分離能が観察されたが、観察される電流や電圧に大きな差は観察されなかった。次年度にはさらなる空孔構造の導入や、異種元素をドープした二次元薄膜材料を用いて空孔やドープ構造が同位体分離能に与える影響について精査する。以上、二次元薄膜の水素同位体分離能は、量子トンネル効果に起因することを示した。

在这项研究中，我们将使用二维薄膜作为电极材料开发使用固体聚合物电化学细胞的氘富集分离装置。此外，其目的不仅是使用二维薄膜发展氢同位素分离理论，而且还要在室温和大气压下获得有关氘的低成本制造方法的知识。根据去年获得的发现，我们使用除石墨烯以外的二维薄膜材料构建了异质电极结构，并验证了同位素分离能力​​是否是由于量子隧道效应引起的。通过质量气体分析评估从阴极排出的氢同位素气体以计算分离能力。二维薄膜是由氮化硼制成的，硝酸硼具有与石墨烯相同的六元环结构，但具有不同的元素。由于评估了施加电压对分离功率的依赖性，因此使用石墨烯时获得了相同的结果，在电压较低并随着电压增加而降低分辨率的情况下，得到了相同的结果。从这些结果可以得出结论，一层二维薄膜材料的氢同位素分离能力​​是由于量子隧穿的效应所致。此外，使用一种使用低能离子辐射装置将空置结构引入二级薄膜中的技术，还验证了空置结构对氢同位素分离能力​​的影响。结果，观察到取决于施加电压的同位素分离能力​​类似于引入孔结构之前的电压，但观察到观察到的电流或电压没有显着差异。明年，将使用二维薄膜材料掺有不同元素的二维薄膜材料来检查进一步的孔结构，并将检查空缺和掺杂结构对同位素分离能力​​的影响。以上表明二维薄膜的氢同位素分离能力​​是由于量子隧穿的效果。

项目成果

Probing Strain and Doping along a Graphene Wrinkle Using Tip-Enhanced Raman Spectroscopy

• DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c08529
• 发表时间: 2023-03
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry C
• 作者: Maria Vanessa Balois-Oguchi;N. Hayazawa;Satoshi Yasuda;K. Ikeda;Tien Quang Nguyen;M. C. Escaño;Takuo Tanaka

固体高分子形電気化学セルを用いた水素同位体ガス分離の研究

固体聚合物电化学电池氢同位素气体分离研究

• 发表时间: 2021
• 作者: 保田諭;松島永佳;朝岡秀人;福谷克之
• 通讯作者: 福谷克之

グラフェンの量子トンネル効果による水素同位体分離

利用石墨烯中的量子隧道效应分离氢同位素

• 发表时间: 2023
• 作者: S. Yasui;M. Hiraishi;A. Ishizawa;H. Omi;R. Kaji;S. Adachi;T. Tawara;志村泰充，西村京輔，北川拓也，稲垣怜史，窪田好浩;竹入 聡一郎，早川 竜馬，山田 洋一，若山 裕，福本 恵紀;保田 諭，松島永佳，矢野雅大，寺澤知潮，朝岡秀人，J. S. Gueriba，W. A. Dino，福谷克之
• 通讯作者: 保田 諭，松島永佳，矢野雅大，寺澤知潮，朝岡秀人，J. S. Gueriba，W. A. Dino，福谷克之

Electrochemically Driven Specific Alkaline Metal Cation Adsorption on a Graphene Interface

• DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c03322
• 发表时间: 2021-10
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry C
• 作者: S. Yasuda;K. Tamura;Masaru Kato;H. Asaoka;Ichizo Yagi

単層グラフェンを用いた量子トンネル効果による水素同位体分離

使用单层石墨烯通过量子隧道分离氢同位素

• 发表时间: 2023
• 作者: Thomas Scheike;Zhenchao Wen;Shinya Kasai;Hiroaki Sukegawa;Seiji Mitani;張 聖翔，稲垣怜史，窪田好浩;福本 恵紀;保田 諭，松島永佳，矢野雅大，寺澤知潮，朝岡秀人，J. S. Gueriba，W. A. Dino，福谷克之
• 通讯作者: 保田 諭，松島永佳，矢野雅大，寺澤知潮，朝岡秀人，J. S. Gueriba，W. A. Dino，福谷克之