Construction of the design guidelines for hydrogen storage materials controlled by hydrogen-metal atomic interactions

氢-金属原子相互作用控制的储氢材料设计指南的构建

基本信息

批准号：
22H01817
负责人：
佐藤豊人
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Shibaura Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

金属間化合物（水素貯蔵合金）は、格子間の隙間に水素を原子として吸蔵し、放出する反応を示す。この反応の平衡状態の圧力（平衡水素圧）は、金属間化合物の構成元素に依存するが、これまでは構成元素が経験則で決定されていたため、元素選択に限界があった。一方、水素－金属相関（水素周りの金属元素種・元素間距離・金属元素の水素との親和性）は、平衡水素圧に影響を及ぼすことが予想されるが、その評価は容易ではなく、平衡水素圧に対する水素－金属相関の依存性も不明である。そこで、本研究では、水素周りの金属元素に着眼することで水素吸蔵・放出反応の平衡水素圧の制御機構を解明し、それに基づく水素貯蔵合金の新たな設計指針を構築する。2022年度は、異なる2種類の金属間化合物AB2（A: Y、B: Mn, Fe, Co, Ni）とA’B’2（A’: Mg, B’: Co, Ni）から合成された金属間化合物(A, A’)(B, B’)2に着目して研究を遂行した。合成された試料の水素貯蔵特性は、等温下で水素吸蔵・放出に伴う圧力変化を観測して系統的に評価された。その中でも(Y, Mg)(Co, Ni)2は、室温近傍で可逆的な水素吸蔵・放出反応を示し、最も高い水素吸蔵量を示した。原子配列と原子振動の観点から水素吸蔵・放出反応機構を明らかにするために(Y, Mg)(Co, Ni)2、及び関連の水素貯蔵合金の中性子回折と中性子非弾性散乱実験を行った。結晶構造解析と理論計算を組合わせることで実験的に得られた中性子回折パターンと中性子非弾性散乱スペクトルが再現され、原子レベルでの水素吸蔵・放出反応機構が明らかになった。

金属间化合物（储氢合金）表现出氢作为原子吸留在间隙空间中并释放的反应。该反应中的平衡压力（平衡氢压）取决于金属间化合物的构成元素，但迄今为止，构成元素都是由经验规则确定的，因此元素选择受到限制。另一方面，氢-金属相关性（氢周围的金属元素种类、元素之间的距离、金属元素与氢的亲和力）预计会影响平衡氢压，但评估它的依赖性并不容易。氢-金属与平衡氢压力的相关性也不清楚。因此，在本研究中，我们将重点关注氢周围的金属元素，阐明吸氢和解吸反应中平衡氢压的控制机制，并在此基础上制定新的储氢合金设计指南。 2022年，由两种不同类型的金属间化合物AB2（A：Y，B：Mn，Fe，Co，Ni）和A'B'2（A'：Mg，B'：Co，Ni）合成了该化合物。研究重点是金属间化合物(A, A')(B, B')2。通过观察等温条件下与氢吸收和释放相关的压力变化，系统地评估了合成样品的储氢性能。其中，(Y，Mg)(Co，Ni)2在室温附近表现出可逆的储氢/解吸反应，并表现出最高的储氢容量。对(Y,Mg)(Co,Ni)2及相关储氢合金进行了中子衍射和非弹性中子散射实验，从原子排列和原子振动的角度阐明了吸放氢反应机理。通过结合晶体结构分析和理论计算，再现了实验获得的中子衍射图和中子非弹性散射光谱，阐明了原子水平上的吸/脱氢反应机理。