成果報告書詳細
管理番号20130000000928
タイトル平成19年度-平成23年度成果報告書 水素貯蔵材料先端基盤研究事業 計算科学的手法に基づく水素吸蔵材料の特性評価とメカニズム解明に関する研究(委託先名 独立行政法人産業技術総合研究所)
公開日2014/5/9
報告書年度2007 - 2011
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P07002
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成19年度-平成23年度成果報告書 「水素貯蔵材料先端基盤研究事業/計算科学的手法に基づく水素吸蔵材料の特性評価とメカニズム解明に関する研究」

 今後の水素燃料電池車の普及や将来的な水素社会の構築に向けて、水素を安全かつ大量に貯蔵・輸送する技術の確立が求められている。そのためには実験的手法のみならず、計算科学的手法を用いた研究が有用である。本研究では分子軌道法、密度汎関数法、経路積分法といった第一原理計算手法と、より大規模な現象を追跡できる古典分子動力学法を用いて、金属系およびカーボン系水素貯蔵材料に関する計算科学的解析を行った。
 カーボン系材料では、高比表面積材料であるゼオライト鋳型炭素(ZTC)におけるスピルオーバー水素貯蔵法に関する第一原理計算を行った。その結果、炭素原子から窒素原子への置換による水素吸着サイトの変化や、グラフェン断片表面の曲率変化の効果、原子状水素のグラフェン表面拡散能の温度変化など、ZTCでのスピルオーバー水素貯蔵の有効性を示すデータが得られた。そのデータに基づき、共同委託先である東北大多元研において実験的検証がなされ、水素貯蔵量の増大が確認された。これにより、ZTCによるスピルオーバー水素貯蔵の実現へ一歩前進した。
 金属系材料ではLaNi5、NaAlH4、V合金、金属ナノ粒子中で水素の挙動について、第一原理計算と古典分子動力学法を用いた解析を行った。まず第一原理計算により金属格子中の水素の吸着位置や拡散経路、添加金属元素効果等を評価する手法を確立し、その上で貯蔵特性向上に有効な添加元素や、添加に伴う水素占有サイト変化に関する解析を行った。その結果、実験手法のみでは得られない、金属格子中での水素の詳細な存在状態が解明され、貯蔵特性向上のための制御因子を示すことができた。また古典分子動力学法により水素化に伴う結晶欠陥生成過程を再現する手法を確立し、水素化に伴う構造変化の詳細とそれらの制御因子への依存性を明らかにした。この手法は、従来測定が困難だった水素吸蔵時の格子欠陥密度の定量にも応用できることが示された。
 今回得られたこれらの成果は、今後の水素貯蔵材料の特性向上への指針としての役割のみならず、水素貯蔵現象の理解を深め、計算機支援による測定精度の向上や研究開発コスト削減効果など、水素貯蔵材料開発全体の加速に有意義であると考えられる。

英文要約Title: Advanced Fundamental Research on Hydrogen Storage Materials/Computational Study on the Properties and Microscopic Kinetics of Hydrogen Storage Materials (FY2007-FY2011) Final Report

Establishment of advanced hydrogen storage techniques has been requested to realize forthcoming hydrogen economy. Not only the experimental methods but also the computational science are effective to analyze hydrogen storage materials. The aim of our study is to understand the origin of hydrogen storage properties by using computational methods, such as molecular orbitals, density functional theory, path-integral, and classical molecular dynamics methods.
We have carried out ab initio calculations on the properties of zeolite-templated carbon (ZTC) and investigated its applicability to the spillover hydrogen storage. Our calculation confirmed the diffusivity of spillover hydrogen on ZTC surface at room temperature. It also showed significant variations of hydrogen adsorption site by surface curvature and N-substitution. These results were confirmed by the experimental group of our project. We concluded that spillover hydrogen storage in ZTC is effective and promising.
We have also analyzed the hydrogen storage properties of metallic systems such as LaNi5, NaAlH4 V-based alloys, and metallic nanoparticles by using ab initio methods and classical molecular dynamics. Important results on hydrogen absorbing sites, hydrogen diffusion paths, and effects of Ti or Mo substitution were obtained by using newly-established techniques. Some of them were in good agreement with the experimental results of our project. We have also developed simulation techniques by classical molecular dynamics on hydrogen-induced lattice defects. It enabled the evaluation of dislocation density variation in hydride phase.
Our results were summarized as the guidelines for designing hydrogen storage materials. They are useful for not only improving the storage properties but also understanding the mechanism of hydrogen storage in various materials. We consider that computational methods are effective for future development of hydrogen storage techniques.

ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る