圧力を用いた炭素π電子系配列ナノ空間の水素吸蔵についての研究

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ナノグラファイト構造をもつ炭素π電子系配列ナノ空間物質は、高圧下で水素(H_2)を吸蔵する。このとき、H_2との間に大きな電気的相互作用が働くことによって、0.7GPa以下では、ハニカム格子を等方的に伸ばすことがこれまでの研究で自明である。この現象を理解し、H_2が炭素π電子系配列ナノ空間の何処にどのような状態で存在するか明らかにするために、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)の高圧H_2およびヘリウム(He)中でのラマンスペクトルを観察した。先に1GPa以下で観察したX線回折の結果を含め、全体を次のように考察した。1GPa以下で観察されるMCMBs-H_2とMCMBs-HeのG-bandの圧力変化は、大きく異なる。0.7GPa以下では相反する現象:「ハニカム格子の伸び」と「G-bandのハード化」が同時に起こる。これには、C=C結合の振動を抑制するH_2の配向を考慮する必要がある。ハニカム格子を伸ばすには、Cのπ軌道とHのs軌道の重なりによる電荷移動が必要で、H_2はグラフェンに垂直に配位しなければならない。しかし、層間距離は圧縮されるため、H_2が層間に縦配向することは考えにくい。「グラフェン面へのH_2の串刺し構造」であれば、層間距離が伸びることなくハニカム格子が伸び、しかも、格子振動が固くなる。また、H_2の配向が変化し、ハニカム格子に対して垂直でなくなれば、電気的な相互作用が弱くなり、一時的に格子振動がソフト化しつつ格子が縮むことから、このモデルが妥当であると考える。結論すると、0.7GPa以下では、H_2の層間へのインターカレーションを、また、0.7GPa≦P≦1GPaでは、H_2のハニカム格子に対する配向の変化を示唆する。