三層ナノコンポジットによる中温での可逆的H2貯蔵

日常生活のためのよりクリーンな燃料

水素は、排出するのが水だけで済むクリーンな燃料として、自動車やトラック、さらには地域全体を賄う電源になると期待されています。しかし、このビジョンを実現するには、車両搭載用に中温で安全かつコンパクトに水素を貯蔵する手段が必要です。本研究は、「レイヤーケーキ」状の巧妙なナノ材料を示しており、従来よりはるかに容易に大量の水素を保持・放出できるため、水素駆動の交通手段を現実に近づけます。

有望だが手ごわい水素スポンジ

本研究の中心素材はホウ化リチウムで、重量比・体積比ともに優れた水素貯蔵能を持つ固体です。これは車載用途に魅力的ですが、問題はこの物質が非常に安定であることです。一般に水素を放出させるには非常に高温が必要で、再吸蔵も容易でないため効率と耐久性が損なわれます。過去20年にわたり、他元素の混合、ナノ粒子化、あるいは多孔質構造への封入など、さまざまな工夫が試みられてきました。これらは改善をもたらしたものの、燃料電池の廃熱で賄えるような低温域にはまだ達していませんでした。

三層ナノサンドイッチの構築

研究者たちは、成分をナノメートルスケールで厳密な順序に積み重ねた新しい構造を設計しました。底層はグラフェンのシートで、極薄で強靭な炭素材として支持体の役割を果たします。その上に直径数ナノメートルの微小なニッケルクラスターの中間層を成長させ、最上層としてホウ化リチウムのナノ粒子が形づくられました。これらの粒子は主にニッケル上に載っており、直接グラフェンに接してはいません。透過電子顕微鏡観察により、この三層構造が確認され、基底のグラフェン、均一に振りかけられたニッケルナノクラスター、そしてその上のホウ化リチウム粒子層が明瞭に示されました。ニッケル含有量と粒子サイズは、ホウ化リチウムが微細に分散し均一に分布するよう最適化されています。

より馴染みやすい温度でより多くの水素を貯める

この三層材料の水素挙動を試験したところ、性能は顕著でした。純粋なホウ化リチウムと比べて、水素放出の開始温度が100度以上低下しました。複合材料は（ホウ化リチウム部分に対して）約10.5質量パーセントの水素を中程度の加熱で放出でき、放出速度も改質されていない材料よりずっと速かったのです。さらに重要なのは、再吸蔵は約70度程度から始まり、この種の材料としては報告された中でも低い値の一つであり、ホウ化リチウム相に対して最大で約12.3質量パーセントの水素を取り込めた点です。また、少なくとも30回の充放電サイクルを耐え、容量の低下は小さく、繰り返し加熱冷却で通常問題となる発泡や破砕も回避されました。

ニッケルが水素の移動を助ける仕組み

なぜ三層構造が高性能を示すのかを解明するため、研究者らは実験と量子力学計算を組み合わせました。モデルは、ホウ化リチウム由来のホウ素に富むクラスターが直接ニッケル上に載ると、ニッケルがホウ素ネットワークを再配列させ電子を供与することを示しました。これにより特定のホウ素−ホウ素結合が弱まり、水素原子が付着、移動、そして新たなホウ素−水素結合を作るためのエネルギーが下がります。ニッケル−ホウ素界面に近づく水素分子のシミュレーションでは、水素分子がニッケル上でより容易に解離し、生成した水素原子が表面を素早く移動してホウ素に富む領域に入ることが示されました。一方で、ホウ素クラスターが裸の炭素上に載ると、電子的相互作用が水素の移動を阻害する傾向があります。グラフェンとホウ化リチウムの間にニッケルを挿入することで、能動粒子をしっかり固定しつつ水素の出入りを効率的に促進しています。

今後の水素車にとっての意義

平たく言えば、この三層ナノコンポジットは高度に設計された水素用スポンジのように振る舞い、実際の燃料電池システムが提供できる温度域に近い条件で水素を吸収・放出します。グラフェンは機械的支持と粒子サイズ制御を担い、ニッケルナノクラスターは水素を分解して輸送する小さな反応ハブとして働き、ホウ化リチウムは大量の水素をコンパクトに保持します。これらが合わさることで、高温と可逆性の低さという長年の障壁を克服しています。材料のスケールアップや完全な貯蔵タンクへの統合にはさらに研究が必要ですが、本研究は次世代の固体水素担体を設計するための明確な設計図を提示しており、クリーンな水素車をより実用的にする道を拓きます。

引用: Zhang, W., Zhang, X., Li, C. et al. Reversible H₂ storage at moderate temperature by a trilayered lithium borohydride nanocomposite. Nat Commun 17, 3756 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69059-y

キーワード: 水素貯蔵, ホウ化リチウム, ナノコンポジット, ニッケル触媒, グラフェン