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京大など、燃料電池の新材料に役立つ発見 水素吸蔵量・吸蔵速度が2倍に

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京大など、燃料電池の新材料に役立つ発見 水素吸蔵量・吸蔵速度が2倍に

京都大学大学院の研究グループは、「パラジウム金属(Pd)ナノ結晶」の表面原子配列を精密にコントロールすることで、水素の吸蔵速度を変えることに成功した。また、Pdナノ結晶を金属イオンと有機配位子からなる「多孔性金属錯体(MOF)」で被覆すると、水素吸蔵量は被覆していないPdナノ結晶に比べて2倍になると同時に、水素の吸蔵/放出速度も2倍になることを発見した。そして、このような水素吸蔵特性の飛躍的な向上の原因が、Pdナノ結晶とMOFとの界面で起こる電荷移動であることを突きとめた。

今回の研究成果は、ナノ結晶表面の構造制御やMOFによる被覆化により、金属の材料特性が格段に向上することを示しており、新しい材料は、水素の貯蔵材や分離膜、燃料電池の電極触媒のほか、高効率な水素化反応触媒として大いに期待される。

水素は、化学工業や石油精製などに使用される重要な工業ガスで、環境調和型の理想的なエネルギー源として古くから注目されている。近年のシェールガス革命により、需要はますます高まると予想されており、水素の貯蔵や有効利用に関わる科学技術の確立は急務の課題となっている。

Pdは面心立方格子(fcc)構造を有する白金族元素の一つで、水素化反応触媒や自動車の排気ガス浄化用の触媒(三元触媒)、燃料電池の電極触媒としても使用されている。一方でPd自身の約1,000倍の体積の水素を吸蔵でき、水素吸蔵金属や水素分離膜としても実用化研究が盛んに行われ、現在さらなる性能向上のため、異種金属を混ぜて合金化する手法が用いられている。水素吸蔵や水素透過のメカニズムを解明することは、今後の材料開発の設計指針につながるため、非常に重要な研究対象となっている。

一方で、吸着・分離機能をもった「多孔性材料」には、古くから知られているゼオライトや活性炭のほか、近年、構造や機能が高度に制御された精密な空孔をもつ空間材料が注目を集めている。特に有機と無機を組み合わせた「自己組織化空間材料(MOF)」は、高い設計性、合成の簡便性、空間が有する潜在的機能性に優れている。また、ナノメーターサイズの金属粒子は、基礎物性から触媒科学、エネルギー・環境技術、医療、ハードデスク等のナノテクノロジーに関わる分野で幅広く研究・実用化がなされており、われわれの社会に欠かせない材料となっている。

このようなMOFと金属ナノ粒子の両機能を有効利用した新型ハイブリット材料は、既存の材料に比べて高い機能を発現することが期待されている。

【参考】
京都大学 - 多孔性金属錯体がパラジウムの性質を変えた -パラジウムの水素吸蔵量・吸蔵速度が2倍に向上-

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