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関西光科学研究所 | プレス発表:岩塩(NaCl)構造をもつレアアースメタルの水素化物を発見 ―水素貯蔵材料の高性能化の発展に期待―

掲載日:2012年5月7日更新
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関西光科学研究所 >> プレス発表 >> 岩塩(NaCl)構造をもつレアアースメタルの水素化物を発見 ―水素貯蔵材料の高性能化の発展に期待―

 

プレス発表

平成24年5月7日
独立行政法人日本原子力研究開発機構
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
国立大学法人広島大学

発表のポイント

  • J-PARCの中性子線とSPring-8の放射光X線を相補的に利用して、ランタン2水素化物(LaH2)の高圧分解反応によって生成した新しい水素化物の結晶構造を解明
  • 放射光で金属格子のみの構造を、中性子線で水素も含めた構造を調査。その結果、岩塩(NaCl)構造をもつ1水素化物(LaH)の生成を発見、全ての金属中で唯一、希土類金属が3つの形態で水素を取り込むことを発見
  • 水素と金属の相互作用の解明、水素貯蔵材料の高性能化の発展に期待

 

独立行政法人日本原子力研究開発機構(理事長 鈴木 篤之 以下「原子力機構」という)の研究グループは、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(機構長 鈴木 厚人 以下「KEK」という)、原子力機構とKEKの共同運営組織であるJ-PARCセンター(センター長事務取扱 永宮 正治)、国立大学法人広島大学(学長 浅原 利正 以下「広大」という)、国立大学法人東京大学(総長 濱田 純一 以下「東大」という)、ケンブリッジ大学(英国)と共同で、希土類金属(レアアースメタル)(注1)の水素化物の結晶構造を、J-PARC(注2)の大強度中性子線と大型放射光施設SPring-8(注3)の高輝度放射光X線を用いて解明しました。その結果、これまでに報告されていなかった岩塩(NaCl)構造をもつ希土類金属の1水素化物(LaH)の存在を世界で初めて観測しました。

希少金属である希土類金属は水素との親和性が極めて高く、水素を多量に吸収して水素との化合物(水素化物)を形成することが知られています。吸収された水素原子は金属格子の隙間を占有しますが、隙間には金属原子が四面体の頂点に配置したサイトと八面体の頂点に配置したサイトの2種類があります。水素原子は初めに四面体サイトのみを占有して2水素化物を形成し、さらに八面体サイトを占有し金属格子の隙間が飽和した3水素化物を形成します。八面体サイトのみが水素で占有された1水素化物は遷移金属(注4)ではよく知られていますが、希土類金属では報告されていませんでした。研究グループでは、代表的な希土類金属であるランタン(La)の2水素化物(LaH2)が10万気圧を超える圧力下で、高水素濃度と低水素濃度の2種類の状態に分かれることを見出していました。今回、大強度陽子加速器施設J-PARCの物質・生命科学実験施設において水素(H)を重水素(D)に置き換えた2水素化物(LaD2)の中性子回折実験を高圧力下で実施し、3水素化物(LaD3)に近い水素化物と低重水素濃度の1水素化物(LaD)の形成を初めて観測しました。LaDは八面体サイトのみが重水素原子で占有された岩塩(NaCl)構造をとっています。更に、その1水素化物(LaH/LaD)が高圧力下で安定に存在できることを第一原理計算(注5)によって示しました。

今回の発見によって、希土類金属は全ての金属の中で唯一、1水素化物、2水素化物および3水素化物という3つの状態を形成し、それらの金属格子構造が全て面心立方構造であることが示されました。希土類金属は高水素親和性のため水素貯蔵材料の構成元素として広く利用されており、今後、水素化物中の水素と金属の結合状態を詳細に調べることにより、水素と金属の相互作用の解明がされ、さらには高濃度の水素を吸収する希土類合金の開発指針が得られるものと期待されます。 この研究成果は、原子力機構 町田 晃彦副主任研究員、本田 充紀特定課題推進員(現、物質・材料研究機構 ポスドク研究員)、服部 高典副主任研究員、佐野 亜沙美研究員、綿貫 徹副主任研究員、片山 芳則研究主席、青木 勝敏特定課題推進員(現 東北大学客員研究員)、J-PARCセンター 有馬 寛任期付研究員(現 東北大学助教)、鈴谷 賢太郎研究主幹、KEK 大下 英敏特任助教、池田 一貴特任准教授、大友 季哉教授、広大 坪田 雅己特任助教(平成22年3月まで)、土居 光一氏、市川 貴之准教授、小島 由継教授、東大 小松 一生准教授、ケンブリッジ大学 Duck Young Kim博士(現 カーネギー研究所(米国))との共同研究によるもので、その一部は新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の水素貯蔵材料先端基盤研究事業「水素と材料の相互作用の実験的解明」の委託を受け、J-PARCおよびSPring-8の利用研究課題として行われました。

本研究成果は、5月8日に米国科学雑誌『Physical Review Letters』のオンライン版に掲載される予定です。

詳細は下記をご参照ください。(国立研究開発法人日本原子力研究開発機構のサイトへリンク)

 

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