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クロムに水素を7つ結合、新しい水素貯蔵材料へ

物構研トピックス
2015年3月24日

東北大学金属材料研究所の高木 成幸 助教と同大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)の折茂(おりも) 慎一 教授らの研究グループは、日本原子力研究開発機構、KEK、豊田中央研究所との共同研究により、水素と結合しにくいと考えられてきたクロムに7つの水素が結合した水素化物の合成に成功、J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)の中性子を利用して確認しました。

低炭素化や化石燃料の枯渇の点から、水素エネルギーの活用が推し進められています。水素を効率よく、安全に貯蔵、運搬するためには、水素貯蔵材料が必須で、その研究が国内外で進められています。従来、水素貯蔵材料には水素と良く結合しやすい元素が使用されてきましたが、今回対象としたクロムは、単独では水素と結合しにくい元素群(ハイドライド・ギャップ、周期表6族から12族の元素群)の一つです。

fig2.png

図1 理論予測された[CrH7]5-イオンを含む
錯体水素化物Mg3CrH8の結晶構造(左)と
クロムに7つの水素が結合したCrH7イオン(右)
画像提供:東北大学

研究グループは、水素が特定の対称性をもってクロムの周りに配置するとき、一般的な金属元素よりも多くの水素が結合する可能性を理論的に予測しました。そして予測に基づき、クロムとマグネシウム水素化物との混合粉末(Cr+3MgH2)を5万気圧700 ℃の水素流体中で4時間保持し、錯体水素化物の合成を試みました。その試料をMLFにある中性子高強度散乱装置(NOVA)を利用して中性子回折測定を行なったところ、クロムに7つの水素が結合したCrH7イオンを含む錯体水素化物Mg3CrH8が合成されていることを示すデータを得ました(図2)。

fig3_ja.png

図2 a)理論予測された結晶構造を用いてシミュレートした中性子回折プロファイル、
b)MLFの中性子高強度全散乱装置(NOVA)により得られた中性子回折プロファイル
両者はピーク位置、強度ともによく一致し、理論予測されたMg3CrH8の合成に成功したことが示されました。
画像提供:東北大学

これまで、水素と相性が悪いと考えられていたクロムが、金属元素より多くの水素と結合することは、大きな発見と言えます。しかもクロムは、さらに多くの水素と結合できる可能性を持っており、8つ結合したCrH8イオンや、9つ結合したCrH9イオンなどを含む錯体水素化物の合成が期待されます。また、このように高密度に水素を高密度に含む水素化物は、水素貯蔵材料のみならず、超伝導材料としての可能性もあることから、注目を集めています。

この成果は、ドイツ科学雑誌「Angewandte Chemie International Edition」に3月13日(現地時間)オンライン掲載されました。

東北大学発表のプレスリリースはこちら

論文情報
Title:"True Boundary for the Formation of Homoleptic Transition-Metal Hydride Complexes" [ DOI: 10.1002/ange.201500792 ]
Authers:Shigeyuki Takagi, Yuki Iijima, Toyoto Sato, Hiroyuki Saitoh, Kazutaka Ikeda, Toshiya Otomo, Kazutoshi Miwa, Tamio Ikeshoji, Katsutoshi Aoki, Shin-ichi Orimo


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