アルミと鉄の合金で、レアメタル合金と同等レベルの水素吸蔵に成功 量子科学技術研究開発機構ら

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量子科学技術研究開発機構(QST)、東北大学、高エネルギー加速器研究機構がつくる研究グループは2021年7月29日、アルミニウムと鉄を組み合わせた合金で水素が蓄えられることを発見したと発表した。従来のように希少な元素を使わず、コンパクトに水素を蓄えられる水素吸蔵合金ができる可能性が示されたという。

水素エネルギーは、使用後に水となり二酸化炭素を排出しない特性があり、さまざまな一次エネルギーからの変換が可能なことから、温暖化対策とエネルギー安全保障の問題を同時に克服する切り札と考えられている、しかし、エネルギーキャリアとして水素を利用する場合、大気圧、常温の条件では水素が気体であってかさばるため、「どのように水素を蓄えるか」が課題となっている。

それを解決する技術の一つが水素吸蔵合金で、水素をコンパクトに蓄えられる。水素吸蔵合金の開発では「水素と反応しやすい金属と反応しにくい金属(難水素化金属)を組み合わせる」という定石があるが、水素と反応しやすい金属はレアメタルと呼ばれる希少な元素から選ぶことが多かった。レアメタルは資源量が少なく、価格も高くなるという問題を抱えている。

低コストの水素吸蔵合金を開発するには、定石にとらわれない新しい合金開発の指針が必要となる。そこで研究グループは定石に疑問を呈し、難水素化金属同士の組み合わせで水素吸蔵合金を作れないか、その可能性を確かめた。その結果、研究グループは2013年に、アルミニウムと銅の合金で水素貯蔵ができることを確認している。

この結果を踏まえ、水素と反応しにくい金属(難水素化金属)同士でも、その組み合わせ方でさらに水素を多く含む新規材料が得られるのではないかと考えた。特に資源量が豊富な元素であるアルミニウムと鉄の合金に着目した。

従来の水素吸蔵合金による水素吸蔵とその課題、今回の成果のアルミニウム鉄合金

研究グループは、アルミニウムと鉄の合金の組成や、水素化する温度、圧力など、合金に水素を吸蔵させる条件について試行錯誤を重ねた。Al13Fe4という組成の合金を7万気圧以上の高圧力下で650℃以上の高温水素と反応させると、水素を吸蔵した新しい金属水素化物Al3FeH4が合成できることを発見。高圧下で合成されたAl3FeH4は、大気圧下に取り出すことができて、加熱すると水素を放出することが明らかになったという。

Al3FeH4を常圧下に取り出し、加熱した時の水素放出を測定した結果

水素の放出に伴う重量減少から合金の重量に対して吸蔵された水素の重量(重量水素密度)を算出したところ、アルミニウムと銅の合金の場合の3倍に達する2.9重量%となった。これは、レアメタルを使った典型的な水素吸蔵合金であるLaNi5(1.4重量%)やTiFe(1.9重量%)などと同等のレベルとなる。LaNi5やTiFeは、現行の定置型水素貯蔵システムに利用されている。

また、新しい結晶構造を持ち、従来の水素化物における結晶構造の分類に当てはまらない。今回新たに発見されたAl3FeH4中では、鉄のまわりに水素が入る場所(水素サイト)が従来の水素化物の分類の一つである錯体水素化物と同様に6箇所あるが、その形状は正八面体の錯体水素化物とは異なり、正八面体から歪んでいる。

さらに、この6箇所すべてに水素が入るわけではなく、そのうちのどこか2箇所にランダムに入るという従来にない特徴がある。この特異な結晶構造を取ることにより、難水素化金属の組み合わせによる合金であるにも拘らず、多くの水素を蓄えられることが明らかになった。

Al3FeH4の結晶構造の模式図

今回の成果は、アルミニウムと鉄という安価で身の回りにあふれている金属で、水素吸蔵合金ができる可能性を示すものとなる。また、得られた水素化物の安定性を調べたところ、合金の表面の性質を変えることで、より低い圧力でも水素を取り込めることが分かった。今後の水素吸蔵合金の材料探索の幅を飛躍的に広げ、レアメタルを含まない実用材料の実現が期待される。

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