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
日本原子力研究開発機構の研究グループは、高エネルギー加速器研究機構、J-PARCセンター、広島大学、東京大学、ケンブリッジ大学（英国）と共同で、レアアースメタルの水素化物の結晶構造を、J-PARC物質・生命科学実験施設BL21のNOVAと大型放射光施設SPring-8を用いて解明した。その結果、これまでなかったNaCl構造をもつ希土類金属の1水素化物（LaH）の存在を発見した。
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。水素原子が金属格子の隙間に入り込むことで、水素の吸蔵・放出するため、水素貯蔵材料の構成材料として注目されている。通常、水素原子は初めに金属格子の四面体サイトのみを占有して2水素化物を形成、次に八面体サイトを占有し金属格子の隙間が飽和した3水素化物を形成する（図）。八面体サイトのみが水素で占有された１水素化物は、これまで希土類金属では報告されていなかった。
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10万気圧超の圧力下で、高水素濃度と低水素濃度の2種類の状態をとることを見出していた。今回、J-PARCの物質・生命科学実験施設 にて水素(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た。LaDは八面体サイトのみが重水素原子で占有されたNaCl構造をしており、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によって示した。
この発見によって、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、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と期待される。
図 金属格子が面心立方構造で水素濃度が異なる3つの水素化物の構造
黄色が金属原子、水色が八面体サイトの水素、青が四面体サイトの水素を表しています。左から八面体サイトのみを占有している1水素化物、四面体サイトのみを占有している2水素化物、両方のサイトをすべて占有している3水素化物です。八面体サイトのみを占有している構造は岩塩(NaCl)構造で、本研究では希土類金属で初めて岩塩構造の1水素化物の形成を観測しました。
