国立研究開発法人物質・材料研究機構及び国立大学法人東京工業大学は、水素社会における基盤技術と位置付けられる金属水素化物の探索において、母体金属の硬さが金属の水素化物形成能の支配因子であることを発見しました。この単純な判定指針を用いることにより、従来のような試行錯誤の材料探索に頼らず、効率的な水素吸蔵材料の開発が可能になると期待されます。

水素社会では水素を大量に含有する金属水素化物が重要な役割を果たします。貴金属パラジウム (Pd) は水素透過材料として実用に供せられていますが、高コストという問題があります。周期表上Pd近傍にある遷移金属元素群は水素化物を形成しないため、このPdの物理的特異性の原因を解明できれば、新たな廉価な水素機能性金属系材料の開発の可能性が開けます。

本研究では、遷移金属と水素との化学結合に着目し、Pd水素化物の特異性を明らかにしました。遷移金属はその最外殻d軌道を用いて水素と結合を生じ、固体水素化物を形成します。さらに、周期表でPd近傍に位置する元素との水素化の違いを、電子構造計算により弾性率 (圧縮し難さ。直感的な硬さの指標) を用いて明らかにし、Pd同様に軟らかい金属中のピンク色の横線よりも小さな弾性率を持つ金属) は水素化物を作り易い傾向があることを発見しました。周期表において、遷移金属群の両端に位置する金属は軟らかい傾向があります。d軌道が埋まっている銅族、亜鉛族では水素と結合できないために、格子が軟らかくても、例外的に水素化物を生成しません。さらに、この硬さによる水素化の判定指標は、金属、合金だけでなく、水素吸蔵金属間化合物にも適用できることを明らかにしました。酸化物、窒化物などの無機化合物の生成には、このような因子は知られておらず、水素化物生成の特異性を示すものです。

今回の成果は、新たな合金、金属間化合物の潜在的水素吸蔵能力の迅速な判定を可能にすると期待されます。今後は、廉価でかつ安定供給が見込める元素をもとに、水素関連機能 (例えば、水素透過、水素吸蔵) を有する金属間化合物の開発を目指すと同時に、その化学的応用展開も見据えます。

本研究は 、NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点電子活性材料チームの細野 秀雄 特別フェロー (東京工業大学栄誉教授) 、溝口拓特別研究員、及び朴相源外来研究者のチームにより、NIMS MANA挑戦的研究プログラム及び文部科学省元素戦略プロジェクト (拠点形成型) の一環として行われました。

本研究成果は、米国化学会Journal of the American Chemical Society誌の速報として2021年7月21日にオンラインで公開されました。

掲載論文

題目 : A View on Formation Gap in Transition Metal Hydrides and Its Collapse
著者 : Hiroshi Mizoguchi, Sang-Won Park, and Hideo Hosono
雑誌 : Journal of the American Chemical Society
掲載日時 : 2021年7月21日
DOI : 10.1021/jacs.1c06307