東北大と原子力機構、ペロブスカイト型水素化物の形成過程を解明

環境にやさしい＜水素＞を利用した新たな機能材料の開発指針を得る
−　ペロブスカイト型水素化物の形成過程を解明　−


【発表のポイント】
　●ペロブスカイト構造を持つ新しい水素化物（LiNiH３）を高温高圧下の水素化反応によって合成。その形成過程を高輝度放射光X線回折測定でその場観察し、形成機構を解明した。
　●ペロブスカイト型水素化物は水素貯蔵材料としての機能に加えて、ペロブカイト型酸化物と同様に、超伝導などの多様な物性・機能性を示すものと期待されているが、合成の報告は限られていた。
　●形成機構の解明により、ペロブスカイト型水素化物の設計・開発指針が得られ、今後の材料開発研究が大いに加速されることになる。


　東北大学金属材料研究所（所長　新家光雄。以下「東北大金研」という。）の研究グループは、同学原子分子材料科学高等研究機構（機構長　小谷元子。以下「東北大AIMR」という。）、独立行政法人日本原子力研究開発機構（理事長　鈴木篤之。以下「原子力機構」という。）との共同研究により、ペロブスカイト型水素化物の形成機構を大型放射光施設SPring−８の高輝度放射光X線を用いて世界で初めて解明しました。機能性材料として期待される一方、その合成報告例が限られていたペロブスカイト型水素化物の設計・開発指針が得られたことにより、水素貯蔵や超伝導などの機能性に富んだエネルギー材料開発が大いに加速されることになります。
　ペロブスカイト構造（注１）は酸化物で良く知られており、これまでに超伝導、強誘電性、イオン伝導など多様な物性・機能性を示すペロブスカイト型酸化物が合成されており、圧電素子などの実用材料として利用されています。酸素原子を水素原子で置き換えたペロブスカイト型水素化物（注２）は水素貯蔵特性に加えて、酸化物と同様に多様な物性・機能性を示すものと期待されていますが、これまで合成に成功した水素化物は限られています。ペロブスカイト型水素化物はメカノケミカル法（注３）で合成されてきましたが、その形成過程の観察は困難であり、未解明であることから新たなペロブスカイト型水素化物の開発が停滞していました。


　研究グループでは、第一原理計算（注４）による理論予測に基づいて新しいペロブスカイト型水素化物LiNiH３の合成に成功しました。その合成には、水素化リチウム（LiH）とニッケル（Ni）金属の混合粉体を高温高圧水素流体によって水素化する手法を用い、結晶性の良いペロブスカイト型水素化物を焼結体として合成することができます。高温高圧下の水素化反応過程を高輝度放射光X線を使った時分割X線回折法（注５）によって観測することにより、ペロブスカイト型水素化物LiNiH３の形成過程を明らかにしました。それによると、LiHとNi金属が水素化反応によって直接ペロブスカイト型水素化物が形成されるのではなく、３段階の反応、ステップ（I）：ニッケル水素化物（NiH）の形成、ステップ（II）：LiHとNiHの固溶体LiyNi１−yHの形成（注６）、ステップ（III）：固溶体の水素吸収によるペロブスカイト型水素化物LiNiH３の形成、によって段階的に形成されること、ステップ（II）の固溶体水素化物LiyNi１−yHの形成がペロブスカイト形成の前駆状態であることが明らかにされました。
　解明された形成過程から、固溶体水素化物を形成しうる元素の組み合わせを選ぶことがペロブスカイト型水素化物の合成に繋がるとの設計・開発指針が得られ、新しいペロブスカイト型水素化物の合成研究に向けての突破口が開かれたことになります。それに伴い、水素貯蔵や超伝導などの物性・機能性発現研究が本格化するものと期待されます。
　この研究成果は、東北大金研　佐藤龍太郎　博士研究員、高木成幸　助教、松尾元彰　講師、青木勝敏　上級研究員、東北大AIMR　折茂慎一　主任研究者（兼任　東北大金研　教授）、原子力機構　齋藤寛之　副主任研究員、遠藤成輝　博士研究員との共同研究によるもので、その一部は内閣府最先端・次世代研究開発支援プログラム「水素化物に隠された物性と機能性　−　水素の存在状態の根源的探求からエネルギーデバイス実証へ」の支援を受け、SPring−８の利用研究課題として実施されました。
　本研究成果は、３月４日に米国科学雑誌『Applied　Physics　Letters』のオンライン版に掲載されました。



※以下、「研究開発の背景と目的」などリリースの詳細は添付の関連資料を参照