作为新一代能源的氢

图1 燃料电池示意图

氢能社会

氢是一种非常有意义的元素，其具有最简单的结构，而且能够在各种领域发挥重要作用。近年来，氢作为不排放有害物质的燃料电池的燃料而受到关注。如图1所示，燃料电池以氢和氧为燃料，只排出水。燃料电池易于小型化，不仅可以用于固定发电，还可作为汽车动力源。为了进一步普及氢能的利用，急需开发一种更高效的氢储存和运输方法。其中一种方法是将氢气液化后进行储存和运输。液化氢与气态氢相比可以大量储存和运输，因此现在主要在工业领域使用。

液化氢的汽化损耗问题

储存液化氢时的问题之一是液化氢会随着时间的流逝而发生汽化损耗。其原因之一是氢分子具有两种核自旋状态。如图2所示，将两个氢原子核的核自旋对称的分子氢称为正氢，将核自旋反对称的分子氢称为仲氢。作为氢原子核的质子是费米子，在常温下的正仲比为3:1。另外，其量子统计性质决定了每个氢分子可能的旋转状态。

在液化氢这样的极低温状态下，分子旋转状态基本为基态，正氢具有更高的旋转能量。由于正氢和仲氢之间的转化进行得非常缓慢，所以在冷却氢时，液化氢中存在大量具有高旋转能量的正氢。之后在液化氢的储存期间，正氢缓慢地转化成仲氢，产生相当于旋转能量差的热量，使液化氢气化。因此，在制造液化氢时，需要准备促进正氢向仲氢转化的催化剂，事先提高仲氢的比率。如上所述，为了高效制造液化氢，高效促进正氢向仲氢转化的催化剂是不可缺少的。

图2 液化氢的汽化损耗问题和正仲氢

利用第一性原理计算阐明正仲氢的转化机制

为了开发新型催化剂，理解催化剂反应机制是很重要的。但是，通过实验直接观察氢的核自旋转化过程非常困难。因此，研究人员采用了能够正确处理氢分子和催化剂表面之间相互作用的第一性原理电子计算方法，为阐明正仲氢的转化过程进行了研究。第一性原理计算是一种不需要从实验中得到参数的模拟方法，能够准确计算物质的电子状态。

阐明银表面上氢分子的物理吸附状态

详情请参阅Y. Kunisada et al., Physical Chemistry Chemical Physics, 17 (2015) 19625。

在本研究中，研究人员着眼于虽不具有磁性但能促进正仲氢转化的银。为了详细阐明银表面上氢分子的核自旋转化机制，首先对物理吸附状态进行了调查。结果表明，如下图所示，氢分子在银表面上以分子轴垂直于表面的束缚旋转状态吸附。另外，该研究还表明，束缚旋转的原因是在物理吸附状态下被认为不重要的表面和氢分子之间的虚拟电子交换产生的共振相互作用。

阐明银表面上氢分子的正仲氢转化机制

详情请参阅Y. Kunisada et al., Journal of the Physical Society of Japan, 82 (2013) 023601。

接着，对银表面上氢分子的核自旋转化机制进行了研究。结果表明，与氢分子自由旋转的情况相比，处于束缚旋转状态的氢分子容易发生正仲氢转化。如图4所示，这表明正仲氢转化速度取决于分子的旋转状态(转向效果)，在评价催化剂性能时了解包括氢分子旋转状态在内的吸附状态是非常重要的。

图4 银(111)表面上氢分子的正仲氢转化速度对分子定向的依赖性

液化氢用氢分子核自旋转化催化剂的开发