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水素貯蔵基盤研究グループ

水素は周期律表の1番目の元素であり、電子を1個だけ持つ最も小さな元素です。水素が他の元素と電子をやり取りすることより、様々な材料の機能や物性が生まれ、生体物質の成り立ちや機能を左右する水素結合が生まれます。中性子は、水素の原子核を精度よく観測することが可能で、水素がもたらす機能や物性の研究を行なう上で強力なツールです。本研究グループは、大学や研究機関との共同研究により、物質中の水素の存在状態の基礎的な研究から、水素貯蔵材料の特性改善を基礎研究的な視点から行なうための研究を展開しています。

主な研究分野

水素貯蔵材料の水素吸蔵・放出メカニズムの解明

水素エネルギー社会の実現のために不可欠な水素貯蔵材料は、安全に水素を貯蔵し、かつ容易に取り出せることが必要で、材料中の水素の状態を観測し基礎的な理解を深めることが高性能な水素貯蔵材料につながります。中性子の特徴を生かし、水素貯蔵材料への水素の吸蔵・放出メカニズムを解明することをメインテーマとしています。

バナジウムやチタンなどの金属元素は、水素を吸蔵・放出することが可能で、これらの元素を組み合わせたのが、水素貯蔵合金です。吸蔵された水素は、水素貯蔵合金を構成する元素間の隙間(吸蔵サイト)を押し広げながら入り、さらに吸蔵サイトからサイトへと水中の水分子と同程度の拡散定数で動き回っています。水素の吸蔵・放出を繰り返すことで、元素の配置に乱れが生じ、吸蔵・放出特性の低下が生じます。より軽い元素で構成される貯蔵材料では、結晶構造が失われ、アモルファス化することもあります。吸蔵・放出特性との関連性を明らかにするうえで、こうした乱れた構造の特徴を、水素の位置に着目して明らかにすることが不可欠です。

本研究グループでは、通常の結晶構造解析のみならず、ガラスや液体の構造解析手法を取り込み、水素貯蔵材料における吸蔵・放出メカニズムの解明を目指した研究を進めています。

水素貯蔵材料(LaNi5粉末)
アモルファス化した水素貯蔵合金(LaNi5)の原子配置(岡山大・伊藤恵司他)

水素の位置を観測するための中性子全散乱装置の開発

本研究グループでは、物質中の水素の位置を高精度に観測するため、高強度中性子全散乱装置(NOVA)を開発及び建設しました。NOVAは、結晶材料のみならず、アモルファス相や液相における原子配列を観測可能な性能を有し、水素吸蔵・放出過程に生じる様々な構造変化を観測可能です。水素原子の位置を観測するためのデバイスや解析手法についても検討・開発を進めています。

高強度全散乱装置(NOVA)の概念図
NOVAによる水素吸蔵過程のリアルタイム観察

メンバー

氏名役職専門分野
大友 季哉 教授中性子科学及び非晶質構造解析
池田 一貴 特任准教授水素貯蔵材料合成及び構造解析
大下 英敏 博士研究員中性子検出器開発
金子 直勝 技師試料環境
瀬谷 智洋 技術員試料環境用エレクトロニクス開発

学生

藤崎 布美佳総研大・物質構造科学専攻・博士課程水素貯蔵材料構造解析

担当ビームライン

高強度全散乱装置
BL21

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