利用報告書 / User's Report

【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.04.18】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23HK0022

利用課題名 / Title

エネルギー変換材料のナノスケール表界面制御

利用した実施機関 / Support Institute

北海道大学

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/ Electronic microscope,核磁気共鳴/ Nuclear magnetic resonance,集束イオンビーム/ Focused ion beam,X線回折/ X-ray diffraction,電子回折/ Electron diffraction,電子分光/ Electron spectroscopy,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

水落 大樹

所属名 / Affiliation

北海道大学大学院工学院量子理工学専攻

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

柴山環樹,竹口雅樹

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

柴山環樹,坂口紀史,大久保賢二,谷岡隆志,大多亮,横平綾子,岩崎純子

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

HK-101：ダブル球面収差補正走査透過型電子顕微鏡
HK-102：電界放射型分析電子顕微鏡
HK-103：マルチビーム超高圧電子顕微鏡
HK-107：量子・電子制御ナノマテリアル顕微物性測定装置
NM-501：実動環境対応物理分析電子顕微鏡


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

水素化物系のリチウムイオン伝導体を対象に酸化物とのメカニカルミリングによる界面制御を行い、イオン伝導度の評価とTEMによる微細組織の観察を行った。また、水素吸蔵金属チタンのナノ秒パルスレーザーによる表面改質、貴金属系5元素合金のTEMによる微細構造解析や鉄ナノ粒子によるカーボン膜の黒鉛化挙動TEMその場観察を行った。

実験 / Experimental

リチウムボロハイドライド(LiBH4)とジルコニア(ZrO2)を重量比1:3でミリングにより複合化し、交流インピーダンス法によるイオン伝導度の評価、固体核磁気共鳴(NMR)による化学結合状態の評価、収差補正STEM(Titan3 G2)による微細組織の観察を行った。複合化するジルコニア粒子は、市販のZrO2ミクロン粒子とナノ粒子の2種類を準備した。複合物質のTEMによる元素マッピングには、リチウムを可視化できるエネルギーフィルターTEM (EFTEM)法を用いた。

結果と考察 / Results and Discussion

ジルコニアナノ粒子との複合物質のイオン伝導度は50℃でおよそ5.0×10-5 S cm-1であり、同温度でのLiBH4のイオン伝導度の約11,000倍の値を示した。また、ナノ粒子との複合物質は、ミクロン粒子との複合物質よりも高いイオン伝導度を示した。図はナノ粒子との複合物質のTEM像の一例である。結晶のジルコニア粒子は非晶質ライクな被膜で覆われている様子が観察された。EFTEMによりLiは被膜部に存在していることが分かり、BとZrの複合マップからは被膜部とジルコニア粒子の双方からのシグナルが観測された。固体NMRとTEMによる相補的な解析により、LiBH4とジルコニア粒子の複合物質は、数十nm以下のLiBH4膜で被覆されたZrO2粒子の微細組織となっていることが判明した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


LiBH4とZrO2ナノ粒子の複合物質のTEM像


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

・共同研究者：物質・材料研究機構　竹口 雅樹 様


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Yuki Nakagawa, Enhanced Li-ion conductivity in LiBH4–ZrO2 nanocomposites and nanoscale Li imaging by energy-filtered transmission electron microscopy, Chemical Communications, 59, 10912-10915(2023).
    DOI: 10.1039/D3CC02860G
  2. Subing Yang, Antioxidation effect of coatings prepared by helium-ion implantation of copper surfaces, Vacuum, 220, 112864(2024).
    DOI: 10.1016/j.vacuum.2023.112864
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. 中川祐貴, 岩田知紘, 柴山環樹, 竹口雅樹, "Fe-BN混合粉末の加熱TEMその場観察：カーボン蒸着膜のFe 触媒による黒鉛化挙動(口頭)" 日本顕微鏡学会第79回学術講演会, 令和5年6月27日
  2. 中川祐貴, 千藤翼, 柴山環樹, "エネルギーフィルターTEMによるLiBH4/ZrO2複合物質中のリチウムの可視化(口頭)" 日本顕微鏡学会第79回学術講演会, 令和5年6月27日
  3. 松本千里, 中川祐貴, 柴山環樹, "収差補正STEMによる貴金属系ハイエントロピー合金ナノ粒子 の微細組織解析(口頭)" 日本顕微鏡学会第79回学術講演会, 令和5年6月27日
  4. 石垣みずほ, 中川祐貴, 柴山環樹, "窒素ガス中のナノ秒パルスレーザー照射によるチタンの水素吸蔵温度改善(ポスター)" "2023年度日本鉄鋼協会・日本金属学会 北海道支部合同サマーセッション, 令和5年7月14日
  5. 中川祐貴, "錯体水素化物と窒化物, 酸化物セラミックスの界面を利用したリチウムイオン伝導体の評価(口頭)" 日本MRS水素科学技術連携研究会2023年前期研究会, 令和5年7月19日
  6. 水落大樹, 中川祐貴, 柴山環樹, "LiBH4-Al2O3複合物質のリチウムイオン伝導度評価(ポスター)" 第17回水素若手研究会, 令和5年8月23日
  7. Yasuhiro Shiratsuchi, Yuki Nakagawa, Tamaki Shibayama, "TEM observation of photocatalytic reactions by noble metal-doped WO3(poster)", 20th International Microscopy Congress, 令和5年9月12日
  8. Chisato Matsumoto, Yuki Nakagawa, Tamaki Shibayama, "Microstructural analysis of noble-metal high-entropy alloy nanoparticles(poster)" 20th International Microscopy Congress, 令和5年9月12日
  9. Yuki Nakagawa, Tsubasa Sendo, Tamaki Shibayama, "Visualization of lithium in LiBH4-metal oxide nanocomposites by energy-filtered transmission electron microscopy(poster)" 20th International Microscopy Congress, 令和5年9月14日
  10. 杉本元樹, 中川祐貴, 柴山環樹, "有機溶媒中のナノ秒パルスYAGレーザー照射によるTiの水素吸蔵速度の制御(ポスター)" 日本金属学会2023年秋期講演大会, 令和5年9月19日
  11. 野坂光, 中川祐貴, 柴山環樹, "He+, H2+照射による銅の大気中低温熱酸化抑制効果の評価(ポスター)" 日本金属学会2023年秋期講演大会, 令和5年9月19日
  12. 水落大樹, 中川祐貴, 柴山環樹, "LiBH4-Al2O3系固体電解質のLiイオン伝導特性(口頭)", 第一回日本金属学会「水素が関わる材料科学の課題共有研究会」, 令和5年12月7日
  13. 石垣みずほ, 中川祐貴, 柴山環樹, "ナノ秒パルスレーザーを用いて表面窒化した純チタンの水素吸蔵特性の評価(ポスター)" 第一回日本金属学会「水素が関わる材料科学の課題共有研究会」, 令和5年12月7日
  14. 松本千里, 中川祐貴, 柴山環樹, "貴金属系ハイエントロピー合金ナノ粒子の作製と加水分解を用いた水素発生系触媒への応用(ポスター)" 第一回日本金属学会「水素が関わる材料科学の課題共有研究会」, 令和5年12月7日
  15. 中川祐貴, 千藤翼, 柴山環樹, "LiBH4-ZrO2系固体電解質のLiイオン伝導度の評価とTEMによる 微細組織の観察(ポスター)" 第一回日本金属学会「水素が関わる材料科学の課題共有研究会」, 令和5年12月8日
  16. 中川祐貴, 千藤翼, 柴山環樹, "エネルギーフィルターTEMによるLiBH4/ZrO2複合ナノ粒子の観察(口頭)" 令和5年度日本顕微鏡学会北海道支部 学術講演会, 令和5年12月9日
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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