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水素の高速核スピン変換のメカニズムを実験的に立証 ~効率的な水素利用に向けた量子力学的アプローチ~

2015/07/30

筑波大学数理物質系 西堀英治教授と産業技術総合研究所再生可能エネルギー研究センター 小曽根崇産総研特別研究員、京都大学物質-細胞統合システム拠点 堀彰宏研究員、九州大学大学院理学研究院 大場正昭教授、東北大学多元物質科学研究所 高田昌樹教授らの研究グループは、理化学研究所放射光科学総合研究センター、大阪府立大学大学院理学系研究科 久保田佳基教授、島根大学、スペインの研究グループと共同で、多孔性配位高分子の中に水素分子を吸着させ温度を制御すると、水素分子の細孔内での配列が変化することを、大型放射光施設SPring-8の理研物質科学ビームラインBL44B2を用いて観測しました。また、水素分子はオルトとパラの二つの核スピン状態を取り通常は両者が混在した状態で存在しますが、細孔内での水素分子の配列変化に伴い、ほとんどのオルト水素が数百秒以下でパラ水素に転換されることを、ガス吸着下ラマン散乱その場観測により明らかにしました。さらに、この高速なオルト―パラ転換の機構を解明するため、X線回折で求めた電子密度、静電ポテンシャル分布から細孔内の電場勾配を求めた結果、細孔内には場所によって~1022V/m2の電場の勾配が存在し、配列変化に伴い、電場勾配を受けた水素分子の核スピンが高速に転換することがわかりました。

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図 多孔性配位高分子内の水素分子の配列の模式図。(a)は65K (b) は35Kを示す。65Kでは、水素分子は緑色のサイトIと青色のサイトIIを主に占める。35Kでは赤色のサイトIIIを主に占めるようになる。

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