水素包接水和物の吸蔵特性・機能制御―穏和な条件における高効率水素貯蔵を目指して―

近年、エネルギー資源不足と地球温暖化の解決策として、石油などの在来型化石燃料から天然ガス、さらにはよりクリーンな水素燃料へと転換が進んでいる。本研究では、ガスハイドレートを利用した水素貯蔵・輸送技術に着目し、従来非常に低温・高圧を要した純粋水素ハイドレートの生成条件を穏和にする種々の第二成分を含んだ、水素+第二成分混合ガスハイドレートの熱力学的安定性、第二成分に依存した格子構造と水素の籠占有性について検討した。最初に、水素+アルゴン混合ハイドレート系を対象とし、水素の籠占有性と異分子同時占有の可能性について検討した。ハイドレートに抱接された、ある一定圧力より高圧力域では4分子の水素とアルゴンが大籠を競争的に占有することを示した。次に、構造II型ハイドレートを形成する五員環分子を第二成分とし、水素混合ハイドレート系における安定境界曲線の測定ならびに水素貯蔵能力の比較を行った。対象とした系では、熱安定性や水素包接量に有意な差は見られないものの、テトラヒドロチオフェンやフラン、シクロペンタン系における吸蔵初速度はテトラヒドロフラン系を大きく上回ることを明らかにした。最後に、比較的高い平衡温度を持ち、組成に応じて複数の水和物構造をとりうるセミクラスレートハイドレートに着目し、それらを形成する第二成分を選択して、熱力学的安定性とその圧力・組成に対する依存性について検討した。特筆すべき結果として、第四級アンモニウム塩混合系では、低組成水溶液から調製した混合ハイドレートの場合、圧力誘起による構造相転移が起きることを見出した。それによってより水素を抱接しやすい構造が出現し、包接量が劇的に増加することを確認した。これらの成果は学術論文や国内外での学会発表を通して報告しており、関連分野の研究者から高い関心・評価を得た。

近年、エネルギー資源不足と地球温暖化の解決策として、石油などの在来型化石燃料から天然ガス、さらにはよりクリーンな水素燃料へと転換が進んでいる。本研究では、ガスハイドレートを利用した水素貯蔵・輸送技術に着目し、従来非常に低温・高圧を要した純粋水素ハイドレートの生成条件を穏和にする種々の第二成分を含んだ、水素+第二成分混合ガスハイドレートの熱力学的安定性、第二成分に依存した格子構造と水素の籠占有性について検討した。最初に、水素+アルゴン混合ハイドレート系を対象とし、水素の籠占有性と異分子同時占有の可能性について検討した。ハイドレートに抱接された、ある一定圧力より高圧力域では4分子の水素とアルゴンが大籠を競争的に占有することを示した。次に、構造II型ハイドレートを形成する五員環分子を第二成分とし、水素混合ハイドレート系における安定境界曲線の測定ならびに水素貯蔵能力の比較を行った。対象とした系では、熱安定性や水素包接量に有意な差は見られないものの、テトラヒドロチオフェンやフラン、シクロペンタン系における吸蔵初速度はテトラヒドロフラン系を大きく上回ることを明らかにした。最後に、比較的高い平衡温度を持ち、組成に応じて複数の水和物構造をとりうるセミクラスレートハイドレートに着目し、それらを形成する第二成分を選択して、熱力学的安定性とその圧力・組成に対する依存性について検討した。特筆すべき結果として、第四級アンモニウム塩混合系では、低組成水溶液から調製した混合ハイドレートの場合、圧力誘起による構造相転移が起きることを見出した。それによってより水素を抱接しやすい構造が出現し、包接量が劇的に増加することを確認した。これらの成果は学術論文や国内外での学会発表を通して報告しており、関連分野の研究者から高い関心・評価を得た。