非常識なアルミ鉄合金やノーベル賞候補のMOF　水素吸蔵に名乗り

水素吸蔵合金や吸蔵材料でも次世代技術が複数登場してきた。1つはチタン鉄（Ti-Fe）系合金よりもさらに低コスト化が見込めるアルミニウム（Al）とFeから成るAl₁₃Fe₄である。この合金の発見は、水素吸蔵合金開発の従来の定石や常識を覆した。実用化へはまだ課題があるが、乗り越える道筋は見えているという。さらに、ノーベル賞候補との下馬評もあるMOF（金属有機構造体）ベースの水素吸蔵材料も数年で実用化を見込む。

　量子科学技術研究開発機構（QST）の齋藤寛之氏らは、アルミニウム（Al）とFeから成る新しい水素吸蔵合金「Al₁₃Fe₄」を開発した（図1）。実用化できれば、Ti-Fe系以上に水素吸蔵合金の低コスト化が実現できるが、インパクトは安さだけではない。この合金の発見は、水素吸蔵合金開発における従来の定石や常識を覆すものだという。

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図1　鉄とアルミの合金に水素を吸蔵する

量子科学技術研究開発機構（QST）の齋藤寛之氏らの研究グループが開発した水素吸蔵合金の特徴。これまでの水素吸蔵合金は、2種類の類型があり、そのいずれでも、水素化しにくい金属と、水素化しやすい金属を組み合わせるのが定石だった（a）。一方QSTは、共に水素化しにくいFeとAlの合金でも水素吸蔵できることを発見した（b）。FeもAlも豊富な資源であり、Ti-Fe系よりも材料費が安い。ただし現状では、水素吸蔵に7万気圧という高圧が必要である。これは合金表面に酸化膜が発生するためだ（c）。改善に向けた見通しは立っており、現在1気圧での吸蔵を目指して研究開発を進めている。（図と写真：（a）は日経クロステック、（b）の写真と図は量子科学技術研究開発機構の齋藤寛之氏、（c）は齋藤氏提供の写真に日経クロステックが加筆）

　これまで水素吸蔵合金の開発では、こうやるべし、という大きく2つの“定石"があった。1つは、「侵入形」と「錯体水素化物形」という2種類の材料構造の類型から選択すること。もう1つは、どちらの類型の場合でも、「水素化しやすい金属」と「水素化しにくい金属」から1種類ずつ、計2種類の金属を選ぶことである^注1）。

　Al₁₃Fe₄は2つの定石のどちらにも当てはまらない。H₂の吸蔵メカニズムは、侵入形でも錯体水素化物形でもなく、「吸蔵のメカニズムは未解明」（齋藤氏）としている。「ただ、H原子とFe原子との間で共有結合が起きている可能性が高い」（齋藤氏）。AlとFeはいずれも水素化しにくい金属なので、上述の2種類の金属の選択の定石にも反する^注2）。

　課題は、7万気圧以上、650℃以上という超高圧高温下でしかH₂を吸蔵しない点だ。原因は、合金表面のAl原子に酸化膜が形成し、H₂の合金内部への侵入を妨げているためだ。ただし、この課題は表面改質で改善可能だと判明している。1気圧での吸蔵を目標に研究開発をしている。