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氢更喜欢软金属?通过阐明金属氢化物的控制因素,有望开发出高效储氢材料

概要

日本国立研究开发法人物质材料研究机构、日本国立大学法人东京工业大学在探索被视为氢能社会基础技术的金属氢化物的过程中,发现母体金属的硬度是金属氢化物形成能力的控制因素。通过这一简单的判断指南,有望摆脱以往不断试错的材料探索,开发出高效的储氢材料。

在氢能社会中,蕴含大量氢的金属氢化物将发挥重要作用。钯(Pd)是一种贵金属,已作为透氢材料投入实际应用,但存在成本高的问题。而元素周期表上Pd附近的过渡金属元素族(图(a)中的红色框内)不形成氢化物,因此如果能够弄清Pd具有的这一物理特异性(指形成金属氢化物,译者注)的原因,就有望开发出一种新型的廉价氢功能性金属材料。

本研究着眼于过渡金属与氢之间的化学键,阐明了Pd氢化物的特异性。过渡金属使用最外层的d轨道与氢形成键合,以形成固体氢化物。此外,通过电子结构计算,利用弹性模量(压缩难度。硬度的直观指标)明确了Pd与元素周期表中位于其附近的元素的氢化差异,结果发现与Pd一样的软金属(弹性模量小于图(b)中粉红色横线的金属)往往更易于形成氢化物。

在元素周期表中,位于过渡金属族两端的金属趋于柔软。铜族和锌族由于d轨道完全被占据,不能与氢键合,因此即使晶格柔软,也不会产生氢化物。此外,明确了这种基于硬度的氢化判断指标不仅可以适用于金属和合金,还可以适用于储氢金属间化合物。这一因素并没有体现在无机化合物(比如氧化物和氮化物)的生成中,可以认为是专属于氢化物生成的特异性。

根据此次的成果,有助于快速确定新的合金、金属间化合物的潜在储氢能力。今后,将以廉价且可稳定供应的元素为基础,开发出具有氢相关功能(例如透氢和储氢)的金属间化合物及其化学应用。

图(a+b).png

图(a)元素周期表中氢化物的生成图。(b)过渡金属以及典型储氢金属间化合物的体积模量和氢的易吸收度。储氢物质和不储氢的物质分别用蓝色和黑色表示。

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