(57)【要約】  【課題】  水素原子とイオン結合可能な金属の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御することができる水素貯蔵材料などを提供する。  【解決手段】  本発明の実施の形態１に係る水素貯蔵材料１は、２つの水素原子１０とイオン結合が可能な２つのマグネシウム原子１１と金属原子１２とを含み、金属原子１２が２つのマグネシウム原子１１の間に配置された構造を有する。このように、金属原子１２をマグネシウム原子１１の間に配置（挿入）することによって、マグネシウム原子１１の電子配置及びスピン状態が変化し、その変化に起因してマグネシウム原子１１と水素原子１０との結合力が弱くなる。したがって、マグネシウム原子１１から水素原子１０を離隔するために必要な活性化エネルギーが減少し、水素放出温度を下げることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素原子とイオン結合可能な複数の第１金属と、該第１金属とは異なる第２金属とを含み、前記第１金属への水素原子の吸着及び／又は前記第１金属からの水素原子の放出を行う水素貯蔵材料であって、
前記第２金属が各第１金属の間に配置されていること
を特徴とする水素貯蔵材料。
【請求項２】
前記第２金属が遷移金属であること
を特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵材料。
【請求項３】
前記第１金属がマグネシウム原子であり、
前記第２金属が鉄原子又はマンガン原子を含んでいること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素貯蔵材料。
【請求項４】
水素原子とイオン結合可能な複数の第１金属と、該第１金属とは異なる第２金属とを含み、前記第１金属への水素原子の吸着及び／又は前記第１金属からの水素原子の放出を行う水素貯蔵材料の製造方法であって、
前記第２金属を各第１金属の間に配置すること
を特徴とする水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項５】
前記第２金属が複数種の原子を含んでおり、
該複数種の原子の組成比を調整することで、前記水素原子の放出温度を特定すること
を特徴とする請求項４に記載の水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項６】
水素原子とイオン結合可能な金属を含み、該金属への水素原子の吸着及び／又は前記金属からの水素原子の放出を行う水素貯蔵材料から水素原子を放出させる水素貯蔵材料の水素放出方法であって、
前記水素貯蔵材料を帯電させること
を特徴とする水素貯蔵材料の水素放出方法。
【請求項７】
前記水素貯蔵材料の帯電量を調整することで、前記水素原子の放出温度を特定すること
を特徴とする請求項６に記載の水素貯蔵材料の水素放出方法。
【請求項８】
前記水素貯蔵材料が請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の水素貯蔵材料であること
を特徴とする請求項６又は請求項７に記載の水素貯蔵材料の水素放出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の温度で水素を放出することができる水素貯蔵材料、水素貯蔵材料の製造方法及び水素貯蔵材料の水素放出方法に関し、例えば、水素化マグネシウムをベースとして、実用レベルの水素放出温度（略４００Ｋ）を実現した水素貯蔵材料、水素貯蔵材料の製造方法及び水素貯蔵材料の水素放出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、オゾン層破壊及び大気汚染等の地球環境問題に対処すべく、石油などの化石燃料に替わるエネルギー源として水素が注目されている。水素を利用した代表例が燃料電池であり、燃料電池は、酸化しやすい水素などの燃料を大気中に豊富に存在している酸素と反応させ、化学反応によって生じる化学エネルギーを、熱に変換することなく、直接電気エネルギーに変換する。また、燃料として水素を用いた場合、酸素との反応生成物は水だけであることから、環境破壊に繋がる虞がなく、今後のエネルギーの主流になっていくものと考えられている。
【０００３】
燃料電池を実用化する場合、水素を一時的に貯蔵し、必要なときに必要量の水素を適切かつ安定的に供給できる能力を備えた水素貯蔵技術が必要である。水素貯蔵技術としては、大別して、炭化水素などを改質して水素を供給する改質方式と、水素を直接供給する純水素方式とが知られている。前者の改質方式は、改質装置が複雑であることと、炭化水素を改質する際に発生する一酸化炭素（ＣＯ）が電極触媒である白金（Ｐｔ）を被覆するＣＯ被毒が生じるという問題とがある。したがって、効率の向上、一酸化炭素の排出削減の点から、将来的には後者の純水素方式が望ましい。
【０００４】
ところで、水素は密度が極めて低い気体で、高圧（２００気圧）下で貯蔵した場合であっても、０．９９×１０22ｃｍ-3の水素しか貯蔵することができない。また、水素を液化する場合には、２０Ｋという超低温まで冷却する必要がある。もちろん、超高圧にすれば室温でも水素を液化することが可能であるが、安全性を確保することが極めて困難である。このように、純水素方式には課題が多く、安全性を確保するとともに、軽量化及び低コスト化を実現することが実用化及び普及化には不可欠である。
【０００５】
そこで、純水素方式の一形態である水素貯蔵材料として、水素化マグネシウム（ＭｇＨ2 ）が注目されている。水素化マグネシウムは、マグネシウム原子（Ｍｇ）が２つの水素原子（Ｈ）を吸着することにより生成される物質であり、水素貯蔵能（水素重量密度＝７．６６ｗｔ％）が高く、海水中にナトリウム（Ｎａ）の次に多量に存在するＭｇを電解法によって容易かつ低コストで生成することが可能であることから、将来の水素貯蔵材料として有望である。また、燃料電池を車両に搭載するためには軽量かつ小型である必要があるが、この点でも、水素化マグネシウムに不利に働くことはない。
【０００６】
しかしながら、水素化マグネシウムは、その成分であるマグネシウム原子と水素原子とが極めて強固なイオン結合により結合し、熱力学的に非常に安定した状態である。したがって、水素化マグネシウムから水素原子を放出するのに必要な活性化エネルギーが高く（温度換算で５７３Ｋ）、その活性化エネルギーに相当する熱エネルギーを供給する必要があった。つまり、水素化マグネシウムを５７３Ｋ以上になるまで加熱しなければ、水素化マグネシウムから水素原子が放出されることはなく、逆に、常温（３００Ｋ）では、マグネシウム原子に水素原子が吸着する反応が進行してしまう。
【０００７】
そこで、水素放出温度を下げるべく、メカニカルアロイング法によって、水素化マグネシウムと触媒作用をもつ遷移金属との合金化が行われている。メカニカルアロイング法は、成分金属を溶解することなく、固体の状態で成分金属の粉末を機械的に混合し、化学反応を生じさせて化合物を生成する方法であり、水素化マグネシウムと遷移金属とをメカニカルアロイングすることによって、水素化マグネシウムの組成自体を変化させることなく、図８に示すように、マグネシウム原子１００ａに２つの水素原子１００ｂが吸着した水素化マグネシウム１００に遷移金属１０１が付着した状態にすることができる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００８】
図９は、従来の水素貯蔵材料のポテンシャル特性を示すグラフであり、図８の構造において、マグネシウム原子から水素原子を離隔するの必要なポテンシャルエネルギーを示す。同図において、横軸はマグネシウム原子，水素原子間の距離を、縦軸はポテンシャルエネルギーを示し、各実線は、遷移金属がスカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）の３ｄ遷移金属の場合におけるポテンシャル特性を、破線は水素化マグネシウム単体の場合におけるポテンシャル特性をそれぞれ示している。同図から明らかなように、水素化マグネシウムに遷移金属を付着することによって、活性エネルギーが減少していることがわかる。つまり、水素化マグネシウムの水素放出温度を「表１」に示すように下げることができる。
【０００９】
【表１】
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【非特許文献１】合金・化合物論文誌（Journal of Alloys and Compounds），2000年発行，305巻，p246-252
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述したようなメカニカルアロイング法によって、水素化マグネシウムに遷移金属を付着させれば、水素放出温度を下げることができるが、その合金種についての詳細な研究がなされておらず、「表１」に示したように、スカンジウム及びニッケルを用いた場合に水素放出温度を５００Ｋに低下させることができるが、実用レベルの水素放出温度（略４００Ｋ）を有する合金種については、未だ得られていないのが現状である。
【００１１】
本発明者は、微視的な観点から水素化マグネシウムの合金状態について研究を行った結果、水素化マグネシウムに遷移金属を付着させた従来の場合と、２つの水素化マグネシウムの間に遷移金属を配置（挿入）した場合とで、水素化マグネシウムから放出される水素放出特性が大きく相違するとの知見を得るとともに、その原因が遷移金属の電子配置及びスピン状態に起因していることを解明した。
【００１２】
本発明は、この知見を得てなされたものであり、水素原子とイオン結合可能な複数の第１金属の間に、第１金属とは異なる第２金属を配置する構成とすることにより、第１金属の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、第１金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御することができる水素貯蔵材料及び水素貯蔵材料の製造方法の提供を目的とする。
【００１３】
また本発明は、水素原子とイオン結合可能な金属を帯電させることにより、金属自体の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御することができる水素貯蔵材料の水素放出方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１発明に係る水素貯蔵材料は、水素原子とイオン結合可能な複数の第１金属と、該第１金属とは異なる第２金属とを含み、前記第１金属への水素原子の吸着及び／又は前記第１金属からの水素原子の放出を行う水素貯蔵材料であって、前記第２金属が各第１金属の間に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
第１発明にあっては、水素原子とイオン結合可能な複数の第１金属の間に、第１金属とは異なる第２金属が配置される。第１金属間に配置した第２金属の影響によって、第１金属の電子配置及びスピン状態が変化し、その変化に起因して第１金属と水素原子との結合力が変化する。これにより、第１金属から水素原子を離隔するために必要な活性化エネルギーが変化して、水素放出温度が変化する。換言すれば、第２金属を複数の第１金属の間に配置することにより、第１金属の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、第１金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御することができる。
【００１６】
第２発明に係る水素貯蔵材料は、第１発明において、前記第２金属が遷移金属であることを特徴とする。
【００１７】
第２発明にあっては、第２金属が遷移金属であることにより、第１金属単体である場合よりも、第１金属と水素原子との結合力が弱くなる。よって、第１金属から水素原子を離隔するために必要な活性化エネルギーが低くなり、水素放出温度を下げることができる。
【００１８】
第３発明に係る水素貯蔵材料は、第１発明又は第２発明において、前記第１金属がマグネシウム原子であり、前記第２金属が鉄原子又はマンガン原子を含んでいることを特徴とする。
【００１９】
第３発明にあっては、マグネシウム原子とマグネシウム原子との間に、鉄原子又はマンガン原子が配置されている。鉄原子又はマンガン原子は、マグネシウム原子の電子配列及びスピン状態に及ぼす影響が大きく、マグネシウム原子から水素原子を離隔するために必要な活性化エネルギーを低減させる効果が大きい。例えば、鉄原子がマグネシウム原子の間に配置されている場合、水素原子，マグネシウム原子間の距離を４．５オングストロームに離隔するために必要な活性化エネルギーを２．０ｅＶにまで下げることができ、その水素放出温度を４００Ｋにまで下げることができる。同様に、マンガン原子がマグネシウム原子の間に配置されている場合、活性化エネルギーを１．５ｅＶにまで下げることができ、その水素放出温度をさらに３００Ｋにまで下げることができる。
【００２０】
第４発明に係る水素貯蔵材料の製造方法は、水素原子とイオン結合可能な複数の第１金属と、該第１金属とは異なる第２金属とを含み、前記第１金属への水素原子の吸着及び／又は前記第１金属からの水素原子の放出を行う水素貯蔵材料の製造方法であって、前記第２金属を各第１金属の間に配置することを特徴とする。
【００２１】
第４発明にあっては、水素原子とイオン結合可能な複数の第１金属の間に、第１金属とは異なる第２金属を配置する。第２金属を複数の第１金属の間に配置することにより、第１金属の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、第１金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御することができる。第２金属を第１金属の間に配置する方法としては、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）を用いて第１金属と第２金属とを交互に照射して、第１金属と第２金属との多層膜を形成する方法のほか、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）のようなの薄膜形成方法、又は、固体状態の第１金属及び第２金属を溶解して、第２金属を第１金属の間に挿入する溶融法などがある。
【００２２】
第５発明に係る水素貯蔵材料の製造方法は、第４発明において、前記第２金属が複数種の原子を含んでおり、該複数種の原子の組成比を調整することで、前記水素原子の放出温度を特定することを特徴とする。
【００２３】
第５発明にあっては、第１金属と水素原子との結合力の調整を担う第２金属が複数の種類の原子からなる。第２金属を構成する原子の種類によって、第１金属と水素原子との結合力に及ぼす影響力が相違するので、第２金属を構成する原子の組成比を調整することで、水素原子の放出温度を特定することができる。例えば、第２金属が２種類の原子からなる場合、それぞれ単体であれば、水素放出温度がそれぞれ第１温度、第２温度となるが、２種類の原子を混合することによって、水素放出温度が第１温度，第２温度間の温度となるように設定することができ、その水素放出温度は、第２金属を構成する原子の組成比によって特定される。
【００２４】
第６発明に係る水素貯蔵材料の水素放出方法は、水素原子とイオン結合可能な金属を含み、該金属への水素原子の吸着及び／又は前記金属からの水素原子の放出を行う水素貯蔵材料から水素原子を放出させる水素貯蔵材料の水素放出方法であって、前記水素貯蔵材料を帯電させることを特徴とする。
【００２５】
第６発明にあっては、水素原子とイオン結合された金属からなる水素貯蔵材料を帯電させる。帯電の影響によって、金属自体の電子配置及びスピン状態が変化し、その変化に起因して、金属と水素原子との結合力が変化する。正に帯電させた場合には、水素原子とのイオン結合への電子の寄与率が小さくなるため、金属と水素原子との結合力が弱くなる。つまり、金属から水素原子を離隔するために必要な活性化エネルギーが低くなり、水素放出温度を下げることができる。また、金属と合金化するのではなく、水素貯蔵材料自体の特性を変化させることから、重量あたりの水素含有量が低減することはない。換言すれば、温度を略一定にしておき、水素貯蔵材料を帯電させることによって、水素貯蔵材料からの水素放出を制御することが可能である。
【００２６】
第７発明に係る水素貯蔵材料の水素放出方法は、第６発明において、前記水素貯蔵材料の帯電量を調整することで、前記水素原子の放出温度を特定することを特徴とする。
【００２７】
第７発明にあっては、水素貯蔵材料の帯電量によって金属と水素原子との結合力に及ぼす影響力が相違するので、帯電量を調整することで、水素原子の放出温度を特定することができる。例えば、水素貯蔵材料が水素原子とイオン結合した水素化マグネシウムである場合、水素化マグネシウムからの水素放出温度は、水素化マグネシウムの帯電量の大きさによって決定され、帯電量の大きさに応じて低下する。
【００２８】
第８発明に係る水素貯蔵材料の水素放出方法は、第６発明又は第７発明において、前記水素貯蔵材料が第１発明乃至第３発明のいずれかの水素貯蔵材料であることを特徴とする。
【００２９】
第８発明にあっては、第２金属を複数の第１金属の間に配置することにより、第１金属の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、第１金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御するとともに、水素貯蔵材料を帯電させることにより、帯電の影響によって、金属自体の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、第１金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御する。これにより、水素放出温度の制御領域が、それぞれの作用でより広くなり、より様々な用途に利用することが可能になる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、水素原子とイオン結合可能な複数の第１金属の間に、第１金属とは異なる第２金属が配置される構成としたので、第１金属間に配置した第２金属の影響によって、第１金属の電子配置及びスピン状態が変化し、その変化に起因して第１金属と水素原子との結合力が変化する。したがって、第２金属を複数の第１金属の間に配置することにより、第１金属の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、第１金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御することができる。
【００３１】
本発明によれば、第２金属が遷移金属であることにより、第１金属単体である場合よりも、第１金属と水素原子との結合力を弱くすることができ、それに起因して、第１金属から水素原子を離隔するために必要な活性化エネルギーが低くなり、水素放出温度を下げることができる。
【００３２】
本発明によれば、マグネシウム原子とマグネシウム原子との間に、マグネシウム原子の電子配列及びスピン状態に及ぼす影響が大きい鉄原子又はマンガン原子が配置される構成としたので、マグネシウム原子から水素原子を離隔するために必要な活性化エネルギーの低減効果が大きい。例えば、鉄原子がマグネシウム原子の間に配置されている場合には、水素原子，マグネシウム原子間の距離を４．５オングストロームに離隔するために必要な活性化エネルギーを２．０ｅＶにまで下げることができ、その水素放出温度を４００Ｋにまで下げることができる。同様に、マンガン原子がマグネシウム原子の間に配置されている場合には、活性化エネルギーを１．５ｅＶにまで下げることができ、その水素放出温度をさらに３００Ｋにまで下げることができる。
【００３３】
本発明によれば、第１金属と水素原子との結合力の調整を担う第２金属を構成する原子の種類によって、第１金属と水素原子との結合力に及ぼす影響の程度が相違することから、第２金属を構成する原子の組成比を調整することで、水素原子の放出温度を特定することができる。
【００３４】
本発明によれば、水素原子とイオン結合された金属からなる水素貯蔵材料を帯電させることによって、金属自体の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、その変化に起因して、金属と水素原子との結合力を制御する。正に帯電させた場合には、水素原子とのイオン結合への電子の寄与率が小さくなるため、金属と水素原子との結合力が弱くなる。つまり、金属から水素原子を離隔するために必要な活性化エネルギーが低くなり、水素放出温度を下げることができる。また、金属と合金化するのではなく、水素貯蔵材料自体の特性を変化させることから、重量あたりの水素含有量が低減することはない。
【００３５】
本発明によれば、水素貯蔵材料の帯電量によって金属と水素原子との結合力に及ぼす影響力が相違するので、帯電量を調整することで、水素原子の放出温度を特定することができる。例えば、水素貯蔵材料が水素原子とイオン結合した水素化マグネシウムである場合、水素化マグネシウムからの水素放出温度は、水素化マグネシウムの帯電量の大きさによって決定され、帯電量の大きさに応じて低下する。
【００３６】
本発明によれば、第２金属を複数の第１金属の間に配置することにより、第１金属の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、第１金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御するとともに、水素貯蔵材料を帯電させることにより、帯電の影響によって、金属自体の電子配置及びスピン状態を変化せしめ、第１金属と水素原子との結合力を制御して、その水素放出温度を制御する。これにより、水素放出温度の制御領域が、それぞれの作用でより広くなり、より様々な用途に利用することが可能になる等、優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る水素貯蔵材料の構造を示す模式図である。
本発明の実施の形態１に係る水素貯蔵材料１は、２つの水素原子１０とイオン結合が可能な複数の第１金属（ここでは、２つのマグネシウム原子１１）と第２金属（ここでは、金属原子１２）とを含み、金属原子１２が２つのマグネシウム原子１１の間に配置された構造を有する。金属原子１２としては、３ｄ遷移金属、４ｄ遷移金属、５ｄ遷移金属などの遷移金属である。このような水素貯蔵材料１へ水素原子１０を供給することにより、水素貯蔵材料１を構成するマグネシウム原子１１が水素原子１０を吸着して水素化マグネシウム１５となり（図２（ａ））、逆に、所定温度に加熱することにより、水素化マグネシウム１５が水素原子１０を放出する（図２（ｂ））。つまり、水素貯蔵材料１に対する温度を制御することによって、水素原子１０の吸着及び放出を制御することができる。
【００３９】
このような構造の水素貯蔵材料１に対して、それ自体公知の密度汎関数理論（例えば、Physical Review，1964年11月9日発行，136巻，p864-871、Physical Review，1965年11月15日発行，140巻，p1133-1138）に基づいて、マグネシウム原子１１へ水素原子１０が接近又は離隔するとき、水素原子１０のマグネシウム原子１１からの距離に対するポテンシャルエネルギーを電子計算機によって算出すると、水素貯蔵材料１が、図３に示すようなポテンシャル特性を有することが判明した。
【００４０】
図３において、各実線は、金属原子１２がスカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛の３ｄ遷移金属の場合におけるポテンシャル特性を、破線は水素化マグネシウム単体の場合におけるポテンシャル特性をそれぞれ示している。
【００４１】
水素化マグネシウム単体では、例えば、水素原子１０，マグネシウム原子１１間の距離を４．５オングストロームに離隔するには３．５ｅＶのエネルギー（活性化エネルギー）が必要であるが、金属原子１２としてＦｅが２つの水素化マグネシウム１５，１５のマグネシウム原子１１，１１間に配置されている場合には、２．０ｅＶの活性化エネルギーで水素原子１０，マグネシウム原子１１間の距離を４．５オングストロームに離隔することが可能となる。さらに、金属原子１２としてＭｎを用いた場合には、１．５ｅＶの活性化エネルギーで水素原子１０，マグネシウム原子１１間の距離を４．５オングストロームに離隔することが可能となる。つまり、金属原子１２を２つの水素化マグネシウム１５，１５のマグネシウム原子１１，１１間に配置させることにより、水素化マグネシウム１５から水素原子１０を離隔するために必要な活性化エネルギーを制御することができる。
【００４２】
これは、鉄原子又はマンガン原子を２つの水素化マグネシウム１５の各マグネシウム原子１１の間に配置することによって、マグネシウム原子１１の電子配置及びスピン状態が変化し、その変化に起因してマグネシウム原子１１と水素原子１０との結合力が弱くなり、マグネシウム原子１１から水素原子１０を離隔するために必要な活性化エネルギーが減少したものと推定される。
【００４３】
また、活性化エネルギーと水素放出温度とは、図４に示すような関係を有していることが知られており、この関係に基づいて、水素貯蔵材料１が「表２」に示すような水素放出温度を有することが分かった。特に、金属原子１２として鉄原子を用いた場合には、その水素放出温度を４００Ｋに下げることができ、同様にマンガン原子を用いた場合には、その水素放出温度を３００Ｋに下げることができる。このように、例えばマンガン原子を２つの水素化マグネシウム１５，１５間に配置することによって、常温で水素化マグネシウム１５から水素原子１０を離隔することができる。つまり、常温で水素原子１０を放出することができる水素貯蔵材料とすることができる。
【００４４】
【表２】
2006124802.tif 000004
【００４５】
水素貯蔵材料を燃料電池への水素供給源として用いる場合、水素原子を一時的に貯蔵するとともに、必要なときに必要量の水素原子を適切かつ安定的に供給する必要があり、そのために水素貯蔵材料の温度を制御するのが一般的である。したがって、常温より若干高い温度で水素原子が放出される材料が求められており、例えば、マンガン原子を配置した水素貯蔵材料と鉄原子を配置した水素貯蔵材料とを混合し、その組成比に応じて水素放出温度を調整することが可能である。このようにして、利用する用途に適した温度で水素を放出することができる水素貯蔵材料とすることができる。
【００４６】
本実施形態の主旨は、所望の温度にて水素原子が放出される水素貯蔵材料を提供することにあり、２つの水素化マグネシウムの各マグネシウム原子間に金属原子を配置して、従来では困難であった５００Ｋ未満の温度領域にて水素原子が放出されるように、マグネシウム原子と水素原子とのイオン結合の強度を制御することにある。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態１に係る水素貯蔵材料の製造方法について説明する。図５は本発明の実施の形態１に係る水素貯蔵材料の製造方法を説明するための説明図である。以下、金属原子としてマグネシウム原子を用いる場合について説明する。
【００４８】
まず、下地となる基板５０の表面に、ＭＢＥ法によってマグネシウム線５１ａとマンガン線５２ａとを交互に照射して（図５（ａ））、マグネシウム層５１とマンガン層５２とが交互に積層された多層膜を形成する（図５（ｂ））。マグネシウム層５１，マンガン層５２の厚みは、それぞれ２モノレイヤ（原子層），１モノレイヤとなるように、マグネシウム線５１ａ及びマンガン線５２ａの照射圧力、照射時間及び基板温度を適宜調整する。
【００４９】
このようにして、各マンガン層５２の上下にマグネシウム層５１が配置されることになり、マンガン層５２に位置するマンガン原子が、マンガン層５２の上側に配置されたマグネシウム層の下側１モノレイヤに位置するマグネシウム原子、及びマンガン層５２の下側に配置されたマグネシウム層の上側１モノレイヤに位置するマグネシウム原子の電子配置及びスピン状態に変化を及ぼす。
【００５０】
次に、３００Ｋ未満の温度環境下で水素原子１０を供給することにより、各マグネシウム層５１に水素原子１０が吸着される。吸着される水素原子数は、マグネシウム層５１を構成するマグネシウム原子数の略２倍であり、同体積の気体状態と比較して、多量の水素原子１０を貯蔵することが可能となる。また、水素原子１０の吸着及び放出が温度によって容易に制御できることから、気体状態の場合と比べて安全性が飛躍的に向上する。
【００５１】
なお、本例では、マグネシウム層とマンガン層とが交互に積層された多層膜を形成したのちに、水素原子を多層膜に供給して、マグネシウム層を構成するマグネシウム原子に水素原子を吸着させるようにしたが、予めマグネシウム原子に水素原子を吸着させた水素化マグネシウム層とマンガン層とが交互に積層された多層膜を形成するようにしてもよい。
【００５２】
また、ＭＢＥ法を用いて多層膜を形成する方法について説明したが、ＭＢＥ法に限定されるものではなく、ＭＯＣＶＤ法のようなの公知の技術が利用でき、形成する多層膜に好適な方法を適宜選択する。また、固体状態のマンガン原子及びマグネシウム原子を溶融法により溶解して、マンガン原子をマグネシウム原子間に挿入するようにしてもよく、その組成が均一になる手法が好ましい。
【００５３】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２に係る水素貯蔵材料の水素放出方法を説明するための説明図である。
実施の形態２に係る水素貯蔵材料の水素放出方法は、マグネシウム原子２１が２つの水素原子２０とイオン結合した水素貯蔵材料２である水素化マグネシウム２５を帯電させる。具体的には、水素化マグネシウム２５を構成する電子３０を取り去ることによって、水素化マグネシウム２５（水素貯蔵材料２）を正に帯電させる。水素化マグネシウム２５を帯電させる方法としては、電子線、光及びＸ線などを照射する電子線照射法、光照射法及びＸ線照射法のほか、電圧を印加する電圧印加方法などがある。また、電圧印加法には、電極を設置して電圧を印加する方法、及びピエゾ素子を接着して応力を加える方法などがある。
【００５４】
帯電した水素化マグネシウム２５に対して、それ自体公知の密度汎関数理論に基づいて、マグネシウム原子２１へ水素原子２０が接近又は離隔するとき、水素原子２０のマグネシウム原子２１からの距離に対するポテンシャルエネルギーを電子計算機によって算出すると、水素化マグネシウム２５が、図７に示すようなポテンシャル特性を有することが判明した。
【００５５】
図７において、各実線は、水素化マグネシウム２５の総電荷量が、素電荷ｅを単位として、＋１、＋０．７５、＋０．５０、＋０．２５である場合のポテンシャル特性を、破線は水素化マグネシウム２５が未帯電の場合におけるポテンシャル特性をそれぞれ示している。電荷量は基本的に素電荷ｅを単位とする整数であり、上述の総電荷量は１つの水素化マグネシウム２５あたりの電荷量という意味である。つまり、水素化マグネシウム２５の総電荷量が＋１とは、１つの水素化マグネシウム２５から電子３０を１つ取り去ることを意味しており、同様に、総電荷量が＋０．７５とは、４つの水素化マグネシウム２５から電子３０を３つ取り去ることを意味しており、また、総電荷量が＋０．５０、＋０．２５とは、それぞれ、２つ、４つの水素化マグネシウム２５から電子３０を１つ取り去ることを意味する。
【００５６】
水素化マグネシウム２５が未帯電の場合、例えば、水素原子２０，マグネシウム原子２１間の距離を４．５オングストロームに離隔するには３．５ｅＶの活性化エネルギーが必要であるが、水素化マグネシウム２５の総電荷量が＋１に帯電されている場合には、１．２ｅＶの活性化エネルギーで水素原子２０，マグネシウム原子２１間の距離を４．５オングストロームに離隔することが可能となる。つまり、マグネシウム原子２１（水素化マグネシウム２５）を帯電させることにより、水素化マグネシウム２５から水素原子２０を離隔するために必要な活性化エネルギーを制御することができる。
【００５７】
また、上述した活性化エネルギーと水素放出温度との関係（図４参照）に基づいて、帯電した水素化マグネシウム２５が「表３」に示すような水素放出温度を有することが分かった。特に、水素化マグネシウム２５の総電荷量が＋０．５０である場合には、その水素放出温度を４８０Ｋに下げることができ、同様に、総電荷量が＋０．７５である場合には、その水素放出温度を３６０Ｋに下げることができる。
【００５８】
【表３】
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【００５９】
これは、水素化マグネシウム２５を正に帯電させることによって、マグネシウム原子２１の電子配置及びスピン状態が変化し、その変化に起因してマグネシウム原子２１と水素原子２０との結合力が弱くなり、水素原子２０を離隔するために必要な活性化エネルギーが減少したためであると推定される。水素化マグネシウム２５は、正電荷をもつマグネシウム原子２１と負電荷をもつ水素原子２０とがイオン結合によって極めて安定な状態にあり、水素原子２０は、マグネシウム原子２１から脱離する際には電荷をもたない、いわゆる中性になる。したがって、予め水素化マグネシウム２５を正に帯電させることにより、水素原子２０を中性に近づかせて、マグネシウム原子２１，水素原子２０間のイオン結合による相互作用を弱めることができる。このようにして、合金化することなく、水素化マグネシウム２５の水素放出温度を下げることができる。換言すれば、温度を略一定にしておき、水素貯蔵材料を帯電させることによって、水素貯蔵材料からの水素放出を制御することが可能である。
【００６０】
また、例えば電子線を照射する照射強度及び照射時間を調整することによって、水素化マグネシウム２５の総電荷量を調整することができ、水素化マグネシウム２５の総電荷量を調整することによって水素放出温度が決定されるため、利用する用途に適した温度で水素原子を放出することができる。特に、水素原子の吸着及び放出に寄与するマグネシウム原子２１のみを構成要素とすることから、重量あたりの水素含有量が低減することはない。
【００６１】
本実施形態の主旨は、所望の温度にて水素原子が放出される水素貯蔵材料の水素放出方法を提供することにあり、水素化マグネシウム２５を帯電させ、従来では困難であった５００Ｋ未満の温度領域にて水素原子２０が放出されるように、マグネシウム原子２１と水素原子２０とのイオン結合の強度を制御することにある。
【００６２】
なお、実施の形態１では２つの水素化マグネシウム１５のマグネシウム原子１１間に金属原子１２を配置することにより、実施の形態２では水素化マグネシウム２５を帯電させることにより、マグネシウム原子１１（２１）と水素原子１０（２０）とのイオン結合の強度を制御するようにしたが、その２つを組み合わせて、マグネシウム原子と水素原子とのイオン結合の強度を制御するようにしてもよい。この場合には、さらに、水素放出温度の制御領域が広くなり、より様々な用途に利用することが可能になる。
【００６３】
また、各実施の形態では、イオン結合が可能な金属原子としてマグネシウム原子の場合について説明したが、同様のイオン結合を有するアルカリ金属及びアルカリ土類金属であってもよく、アルカリ金属及びアルカリ土類金属に吸着した水素の放出温度を制御することができる。
【００６４】
以上、本発明に係る水素貯蔵材料、水素貯蔵材料の製造方法及び水素貯蔵材料の水素放出方法について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上述した実施の形態に係る発明の構成及び機能に様々な変更又は改良を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素貯蔵材料の構造を示す模式図である。
【図２】水素貯蔵材料への水素原子の吸着と水素貯蔵材料からの水素原子の放出の様子を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る水素貯蔵材料のポテンシャル特性を示すグラフである。
【図４】活性化エネルギーと水素放出温度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１に係る水素貯蔵材料の製造方法を説明するための説明図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る水素貯蔵材料の水素放出方法を説明するための説明図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る水素貯蔵材料のポテンシャル特性を示すグラフである。
【図８】従来の水素貯蔵材料の構造を示す模式図である。
【図９】従来の水素貯蔵材料のポテンシャル特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
１，２  水素貯蔵材料
１０，２０  水素原子
１１，２１  マグネシウム原子
１５，２５  水素化マグネシウム
３０  電子
５０  基板
５１  マグネシウム層
５２  マンガン層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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