成果報告書詳細
管理番号20130000000931
タイトル平成22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 国立大学法人東北大学 多元物質科学研究所)
公開日2014/5/9
報告書年度2010 - 2011
委託先名国立大学法人東北大学多元物質科学研究所
プロジェクト番号P07002
部署名新エネルギー部
和文要約燃料電池自動車用の高圧水素貯蔵容器に利用できる、長寿命で吸蔵・放出に加熱を必要としない、水素吸蔵材料の開発指針提示を目指し、スピルオーバーによる貯蔵メカニズムの解明に取り組んだ。
これまでPt錯体やPt粒子数個から成る微小なPtクラスターのスピルオーバー貯蔵については全く調べられていなかったが、我々はこれらを超高表面積炭素であるゼオライト鋳型炭素(ZTC)に高分散かつ大量に担持する技術の開発に成功し、調製した試料の水素貯蔵を詳細に検討した。その結果、低圧領域においてはPtクラスター担持試料が極めて大きい貯蔵特性を示すこと、高圧領域においてはPt錯体担持ZTCがその表面積から予想される物理吸着量を大きく上回る水素貯蔵能を示す事を明らかにした。これらの試料において、吸蔵された水素が単に減圧するだけで可逆的に放出される事も確認した。金属錯体およびクラスターを担持する技術はPt以外の金属にも適用可能であるため、本研究開発の成果により今後の材料開発が大きく加速されると期待できる。
スピルオーバーのメカニズム解明が進まない理由の1つが、実験および測定の再現性が得難いという点である。例えば、世界各国でスピルオーバーによる水素貯蔵が報告されているが、その値には統一的な傾向が全く無く、スピルオーバー現象そのものを否定する報告も多くある。このような背景の中、我々は実験の再現性を確保するための適切な試料の測定前処理条件を明らかにした。さらに、炭素担体の細孔径およびグラフェンの曲率を自在に制御する手法も世界で初めて開発した。この方法により今後これらのスピルオーバー貯蔵への影響を検討できると期待される。
英文要約For the high-pressure hydrogen tank of the fuel cell vehicles, we attempted to show a direction of the development on new hydrogen storage materials which utilize spillover mechanism.
There have been few reports on hydrogen storage behavior of Pt-complex and Pt clusters composed of a few Pt atoms. We have successfully developed a methodology for loading Pt-complex or Pt-cluster uniformly on a zeolite-templated carbon (ZTC), which is an ordered microporous carbon with extremely high surface area up to 4000 m2/g. Then, the hydrogen storage performances of Pt-complex/cluster loaded ZTCs were examined in detail. In low pressure range, Pt-cluster loaded ZTC showed very high storage amount. In high pressure range, Pt-complex loaded ZTC stored much larger amount of hydrogen than that was expected from its surface area. In addition, these samples released hydrogen reversibly simply by evacuation. The methodology we have developed can be applied also to various other metals, such as Pd, Ru, and Ni. Thus, the methodology is expected to significantly contribute future works on the development of new hydrogen storage materials.
One of the reasons why mechanism of spillover is difficult to be revealed is reliability and reproduceability of the experiments/measurements. Though a lot of groups have recently reported hydrogen storage through spillover, there is almost no agreement between the results by different groups. Some reports have even denied the storage through spillover. Based on such background, we have developed a feasible method to realize reproduceable hydrogen isotherm. In addition, we have also developed a method to precisely control pore size and graphene curvature of porous carbon (ZTC) at an angstrom level. These methods are expected to use for the future works on hydrogen storage based on spillover phenomenon.
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