Construction of the design guidelines for hydrogen storage materials controlled by hydrogen-metal atomic interactions

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金属間化合物（水素貯蔵合金）は、格子間の隙間に水素を原子として吸蔵し、放出する反応を示す。この反応の平衡状態の圧力（平衡水素圧）は、金属間化合物の構成元素に依存するが、これまでは構成元素が経験則で決定されていたため、元素選択に限界があった。一方、水素－金属相関（水素周りの金属元素種・元素間距離・金属元素の水素との親和性）は、平衡水素圧に影響を及ぼすことが予想されるが、その評価は容易ではなく、平衡水素圧に対する水素－金属相関の依存性も不明である。そこで、本研究では、水素周りの金属元素に着眼することで水素吸蔵・放出反応の平衡水素圧の制御機構を解明し、それに基づく水素貯蔵合金の新たな設計指針を構築する。2022年度は、異なる2種類の金属間化合物AB2（A: Y、B: Mn, Fe, Co, Ni）とA’B’2（A’: Mg, B’: Co, Ni）から合成された金属間化合物(A, A’)(B, B’)2に着目して研究を遂行した。合成された試料の水素貯蔵特性は、等温下で水素吸蔵・放出に伴う圧力変化を観測して系統的に評価された。その中でも(Y, Mg)(Co, Ni)2は、室温近傍で可逆的な水素吸蔵・放出反応を示し、最も高い水素吸蔵量を示した。原子配列と原子振動の観点から水素吸蔵・放出反応機構を明らかにするために(Y, Mg)(Co, Ni)2、及び関連の水素貯蔵合金の中性子回折と中性子非弾性散乱実験を行った。結晶構造解析と理論計算を組合わせることで実験的に得られた中性子回折パターンと中性子非弾性散乱スペクトルが再現され、原子レベルでの水素吸蔵・放出反応機構が明らかになった。