素晴らしい

2022 年 9 月 5 日

リンダ・ベリンガー著、マックス・プランク協会

水素（H2）は現在、再生可能エネルギーの理想的なエネルギーキャリアとして議論されています。 水素はすべての化学燃料の中で最も高い重量エネルギー密度 (141 MJ/kg) を持ち、これはガソリン (46 MJ/kg) の 3 倍です。 ただし、現在の保管オプションでは多くのスペースが必要となるため、その体積密度が低いため、輸送用途での広範な使用が制限されます。

周囲温度では水素は気体であり、1 kg の水素は 12000 リットル (12 立方メートル) の体積を占めます。 燃料電池車では、水素は大気圧の 700 倍という非常に高い圧力下で貯蔵されるため、その体積は H2 1 キログラムあたり 25 リットルに減ります。 液体水素は密度が高く、1kg あたり 14 リットルになりますが、水素の沸点はマイナス 253 °C であるため、非常に低い温度が必要です。

今回、マックス・プランクインテリジェントシステム研究所、ドレスデン工科大学、エアランゲン・ニュルンベルク・フリードリヒ・アレクサンダー大学、オークリッジ国立研究所の科学者チームは、H2付近の非常に低い温度で水素が表面上で凝縮することを実証した。沸点を超えると、液体水素の密度をほぼ 3 倍上回る超高密度の単層が形成され、その体積は H2 キログラムあたりわずか 5 リットルに減少します。

驚くべき結果は、両方ともほぼ同じサイズであるにもかかわらず、希ガスのアルゴンの原子の 2 倍の H2 分子が表面を覆っていたことです。 面積あたりの分子数を 2 倍にするために、H2 分子は互いに密集して超高密度の層を形成します。

R. Balderas-Xicohténcatl らによる研究。 材料の表面に凝縮された分子の数を決定するために、明確に定義された細孔および表面特性を示す高度に秩序化されたメソポーラス シリカの高分解能低温吸着実験が含まれていました。

非弾性中性子散乱は、この二次元水素層の形成を追跡するための理想的なツールです。 この超高密度水素の存在がその場で初めて確認された。 この直接観察は、高分解能中性子振動分光計 VISION を使用することによってのみ可能でした。VISION は、入手可能な同様の分光計よりも 100 倍を超える非弾性計数率を特徴としています。

理論的研究により、吸着層内の異常に高い水素密度の実験的観察が確認されています。 表面の引力は 2 つの水素分子間の反発力よりも強く、その結果、メソポーラス シリカ表面に超高密度の水素が充填されました。 超高密度は、核電子を持たない水素の高い圧縮性の結果です。

沸点に近い低温での超高密度の水素層の形成は、基本的に興味深いものである。 これは、20 K での H2 吸着等温線の定量分析に考慮される必要があります。また、今後の水素経済における多くの用途において、極低温水素貯蔵システムの体積容量を向上させる新たな可能性が開かれる可能性があります。

この研究はNature Chemistryに掲載されました。

詳しくは： Rafael Balderas-Xicohténcatl 他、メソポーラス シリカ上の超高密度水素単層の形成、Nature Chemistry (2022)。 DOI: 10.1038/s41557-022-01019-7

雑誌情報:自然化学

マックス・プランク協会提供