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新しいシート状物質「ホウ化水素シート(ボロファン)」の誕生 ~優れた水素吸蔵性能を有する新材料~

 筑波大学,東北大学,国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS),及び東京工業大学は2017年9月26日,この4機関から成る共同研究グループが,二ホウ化マグネシウム(MgB2)と呼ばれる物質を原料に用いた,これまでにない新しいシート状物質(ホウ化水素(HB)シート,ボロファン)の生成に成功したと発表した.原著論文は筑波大学数理物質系 近藤 剛弘 准教授を統括著者として米国化学会刊行Journal of the American Chemical Societyで公開された(注).

 原子一層から数層で構成される二次元(2D)物質は,機械的柔軟性,特異な電子状態など独特の性質のため,電子材料や触媒材料はじめ広範囲の応用が期待されている.炭素で構成されるグラフェンはその代表例で質量がゼロのディラック電子による高速電荷輸送などが期待される.一方,2Dホウ化水素(HB)シートが理論的に提案され,水素吸蔵特性,優れた機械的性質を持ち,質量ゼロのディラック電子系と予測された.しかし,ホウ素(B)を含む2D物質は,ホウ素のみで構成されるボロフェンが銀単結晶への真空蒸着によって生成されているが,ボロファンの生成は報告されていなかった.

 これに対し本研究グループは,超伝導材料として見出されたMgB2の構造が,負の電荷を帯びたホウ素のハニカム構造骨格の間にマグネシウム正イオン(Mg2+)が存在していることに着目し,Mg2+を水素の正イオン(H+)と交換し(陽イオン交換),層状の3次元構造をシート構造に分離して,ホウ化水素シートの生成に成功した.

 ボロファンの生成手順はまず,大気圧の窒素雰囲気中で,室温のメタノールまたはアセトニトリル中でMgB2とイオン交換樹脂を混ぜると,Mg2+はイオン交換樹脂に吸収され,水素はMgに代わってホウ素と結合して沈殿する.沈殿物を取り出し乾燥すると,平均収率42.3%で黄色い粉末が得られた.この粉末を走査型電子顕微鏡で観察すると,しわのあるシート状の構造であることがわかり,X線光電子分光測定により粉末中にMgは存在しないことが確かめられた.さらに,真空中で加熱した試料が放出するガスを分析する昇温脱離ガス測定から粉末中にHとBは1:1の割合で存在することがわかった.構造の詳細を,X線回折,X線二体分布関数解析,電子線回折,透過型電子顕微鏡,光吸収,電子エネルギー損失分光,密度関数理論計算などで調べ,水素で橋渡ししたホウ素の六角形網目を局所構造とし,長周期秩序はないが,ホウ素の6回対称網目構造と水素位置の2回対称に由来する,3重の非対称ドメインという短周期秩序からなっていることが分った.

 本研究で生成したボロファンは,H+を保持し加熱によって水素を放出する.このため,理論予測されていた電子材料や水素吸蔵材料以外にも,固体燃料や固体酸触媒としての応用が期待される.また本研究で確立した金属二ホウ化物の陽イオン交換法はホウ素を用いた2D物質の量産の道を拓くとしている.

(注)H. Nishino, T. Fujita, N. T. Cuong, S. Tominaka, M. Miyauchi, S. Iimura, A. Hirata, N. Umezawa, S. Okada, E. Nishibori, A. Fujino, T. Fujimori, S. Ito, J. Nakamura, H. Hosono, and T. Kondo, "Formation and Characterization of Hydrogen Boride Sheets Derived from MgB2 by Cation Exchange", Journal of the American Chemical Society, Article ASAP, DOI: 10.1021/jacs.7b06153; Publication Date (Web): September 19, 2017