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論文

Surface modifications of hydrogen storage alloy by heavy ion beams with keV to MeV irradiation energies

阿部 浩之; 徳平 真之介*; 内田 裕久*; 大島 武

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 365(Part A), p.214 - 217, 2015/12

ニッケル水素電池の負極材として広く使用されている水素吸蔵合金LaNi$$_{4.6}$$Al$$_{0.4}$$に対して、keVからMeVオーダー領域での重イオン照射を行い表面改質を図った。これまでに、水素吸蔵合金に対してイオン照射することで水素吸蔵能が向上すること、表面付近に形成された酸化被膜等により吸蔵能が影響されることを明らかにしている。そこで今回は、酸素イオンを選択し、試料表面付近に酸素注入できるkeVから内部まで侵入させることのできるMeVオーダーまでのエネルギーで、1$$times$$10$$^{16}$$cm$$^{-2}$$までのフルエンスを照射した。その結果、酸素イオン照射した試料は水素吸蔵初期反応速度が未照射に比べ数倍向上すること、表面付近に酸素を導入できるkeVオーダーの照射はMeVオーダーの照射に比べて水素吸蔵初期反応速度の向上に有用であることが判明した。

論文

Surface modification effects on hydrogen absorption property of a hydrogen storage alloy by short pulse laser irradiation

阿部 浩之; 下村 拓也; 徳平 真之介*; 島田 幸洋*; 竹仲 佑介*; 古山 雄太*; 西村 昭彦; 内田 裕久*; 大道 博行; 大島 武

Proceedings of 7th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP 2015) (Internet), 4 Pages, 2015/08

短パルスレーザー(ナノ秒,フェムト秒)を水素吸蔵合金表面層に照射し、水素吸蔵能向上を目指す表面改質実験を行った。レーザー条件をパルス幅100fsec、エネルギー0.2-3.4mJ/pulseとして、水素吸蔵合金LaNi$$_{4.6}$$Al$$_{0.4}$$合金に照射することで表面の局所構造を変化させ、この吸蔵合金の初期水素吸蔵反応とレーザー照射との相関について調べた。その結果、フルエンスで2.0mJ/cm$$^{2}$$付近でのレーザー照射したサンプルは未照射サンプルに比べ、1.5-3.0倍水素吸蔵初期反応速度が速くなり水素吸蔵能が向上することを見いだした。これによりレーザー照射は水素吸蔵材料の表面改質に有効であると結論づけられる。

口頭

電子線照射による水素吸蔵合金の電気化学的水素吸収速度への影響

徳平 真之介*; 森山 和広*; 阿部 浩之; 内田 裕久*

no journal, , 

水素吸蔵合金の電気化学的水素反応は、合金試料の表面状態によって異なるため、表面状態をコントロールすることは非常に重要である。本研究では、表面改質を目的に、電子線照射が水素吸蔵の初期反応速度へ及ぼす影響について調べた。その結果、未照射に比べ、電子線照射サンプルの方が水素吸蔵初期反応速度が5倍速くなる結果が得られた。XPS測定を行ったところ、LaOとCeOの酸化物が表面層に形成されていることがわかり、これら希土類元素の酸化物層によって水素吸蔵反応が促進させられたと考えられる。

口頭

プロトン多段エネルギー照射による水素吸蔵合金の表面改質

阿部 浩之; 森山 和広*; 徳平 真之介*; 内田 裕久*; 大島 武

no journal, , 

イオン照射によって材料表面改質させることで、水素吸蔵能の向上を図った。本研究では、水素吸蔵能として初期水素吸蔵反応速度に着目し、単色プロトンビーム照射と多段のエネルギーでプロトン照射した場合について比較した。サンプルは実用材料(MHバッテリーの負極材)等に利用されているミッシュメタルを用い、プロトンのエネルギーは30, 100, 350keVとした。その結果、単色プロトンビームを5.0$$times$$10$$^{15}$$cm$$^{-2}$$照射した場合、未照射に比べ2$$sim$$4倍の初期水素吸蔵反応速度の向上が見られた。さらに、30, 100, 350keVプロトンビームを単色ビームとトータルドーズを合わせ(それぞれ、2.0$$times$$10$$^{15}$$, 1.5$$times$$10$$^{15}$$, 1.5$$times$$10$$^{15}$$cm$$^{-2}$$)て多段照射した場合、単色エネルギー照射に比べ2倍程度吸蔵速度が向上することが見いだされた。このことから、単色エネルギーによる特定深部への高濃度欠陥導入より、多段エネルギーを用いた表面からある程度の厚さを持った欠陥層を形成する方が初期水素吸蔵反応速度の向上に有効であることが示唆された。

口頭

Effects of electron beam irradiation and alkaline pretreatments on the initial rate of hydrogen absorption by a hydrogen storage alloy

徳平 真之介*; 大畑 雄暉*; 阿部 浩之; 原木 岳史*; 内田 裕久*

no journal, , 

LaNi$$_{4.6}$$Al$$_{0.4}$$の水素吸蔵合金に大気中で電子線を照射することで、水素との高い反応性を持つ非化学両論組成の希土類酸化物が形成され、未照射試料に比べ初期水素吸収速度が向上することを見出した。また電子線照射とアルカリ処理を組み合わせることによって、水素吸蔵合金表面に形成された酸化物の中にアルカリ金属原子が侵入し、表面の仕事関数が低下して水素吸収速度が向上することも判明した。

口頭

Irradiation treatment effects on hydrogen storage alloy

徳平 真之介*; 大貫 駿*; 内田 裕久*; 松村 義人*; 阿部 浩之

no journal, , 

水素吸蔵合金の水素吸収速度について、電子ビーム照射による影響を調べた。LaNi$$_{4.6}$$Al$$_{0.4}$$水素吸蔵合金に、2Paの低真空中または大気中において1または2MeVのエネルギーで電子ビームを1$$times$$10$$^{17}$$e$$^{-}$$/cm$$^{2}$$照射した。その結果、エネルギー2MeVでかつ大気中照射の場合が最も水素吸収速度が速くなっていることが判明した。またX線光電子スペクトルおよびX線回折パターンから、大気中照射した試料表面に導電性酸化物が形成していることが判明した。これらの結果は、電子ビーム照射によってサンプル表面に形成された導電性酸化物が水素吸収速度の向上に関与していることを示唆している。

口頭

電子線照射による水素吸蔵合金の初期水素吸収速度への影響

徳平 真之介*; 内田 裕久*; 阿部 浩之

no journal, , 

水素吸蔵合金であるLaNiAl合金に大気中、真空中で電子線照射を行ったところ、大気中照射のものは真空中照射と比較し水素吸収速度がおよそ8倍向上することが判明した。金属が活性な表面を有する場合、高い酸素分圧に曝されると表面には厚く乱れた構造の酸化膜が形成され、表面層には種々の非化学両論組成の酸化膜が形成される。一方、酸素分圧が低い場合は、薄く緻密な化学両論組成の酸化皮膜が形成される傾向がある。今回の結果から、高い酸素分圧状態による厚く乱れた酸化膜の場合は合金表面上で共有結合水分子との電子交換が容易となり水素原子の解離が促進され、水素吸収速度が向上することが示唆される。

口頭

LaNi$$_{4.6}$$Al$$_{0.4}$$水素吸蔵合金の初期水素吸収速度に及ぼす電子線照射及びアルカリ処理の影響

小野 大河*; 徳平 真之介*; 阿部 浩之; 原木 岳史*; 内田 裕久*

no journal, , 

水素吸蔵合金は大気中または真空中においても合金表面上では酸化皮膜,水酸化被膜が形成される。金属と水素, 水との反応は第一段階として、金属表面でのH$$_{2}$$, H$$_{2}$$Oの解離から始まる。そのため水素と水素吸蔵合金との反応は表面状態に非常に影響を受けるので、合金の表面改質は重要となる。本研究では表面改質を行うために電子線照射を実施し、電子線照射及び従来の表面改質技術であるアルカリ処理が水素吸蔵合金の初期水素吸収速度及び仕事関数に与える影響を調べた。その結果、アルカリ処理を施した場合、初期水素吸収速度が1.5倍向上した。さらに照射を施すことで、アルカリ処理のみの場合に比べ、初期水素吸収速度が2倍向上することが判明した。それぞれのサンプルについて仕事関数測定を行ったところ、水素吸蔵能が向上するほど、仕事関数が負側にシフトすることが分かった。このことより、表面近傍において仕事関数が負にシフトする、すなわちクーロン障壁が低くなる事で電子交換が容易になり、初期における水素吸収速度が速くなったと解釈できる。

口頭

短パルスレーザーを利用した材料表面改質による水素吸蔵合金の吸蔵能変化

阿部 浩之; 徳平 真之介*; 下村 拓也; 島田 幸洋*; 竹仲 佑介*; 古山 雄太*; 西村 昭彦; 大道 博行; 内田 裕久*; 大島 武

no journal, , 

ナノ秒やフェムト秒といった短パルスレーザーを利用し、水素吸蔵合金の水素吸蔵能向上を目指すための表面改質実験を行った。本研究ではレーザー(パルス幅100fsec、エネルギー0.2$$sim$$3.4mJ/pulse)をLaNi$$_{5}$$系のLaNi$$_{4.6}$$Al$$_{0.4}$$合金に照射することで表面の局所構造を変化させた。その結果、レーザー照射した試料は未照射試料に比べ、1.5$$sim$$3.0倍程度吸蔵能が向上することを見いだした。これよりレーザー照射は水素吸蔵材料の表面改質に有効であると結論できた。

口頭

X-ray characterization of short pulse laser illuminated hydrogen storage alloys having very high performance

大道 博行; 阿部 浩之; 菖蒲 敬久; 下村 拓也; 徳平 真之介*; 竹仲 佑介*; 古山 雄大*; 西村 昭彦; 内田 裕久*; 大島 武

no journal, , 

水素吸蔵合金の更なる特性向上を目指し、材料表面に対し、短パルスレーザー照射技術を利用することによって、表面構造変化や水素吸蔵量、水素吸蔵初期反応速度の変化について測定し、レーザー照射についてそれら相関を調べた。これまで、水素吸蔵合金などにイオン照射や電子線照射といった荷電粒子線照射により表面層に高密度欠陥を生成させることや表面層を活性状態にすることで、初期水素吸蔵速度が向上することを明らかにしている。これらの知見と合わせ、X線を用いた解析を行いレーザー照射による水素吸蔵能向上について報告する。

口頭

短パルスレーザー照射による水素吸蔵合金の表面改質効果

阿部 浩之; 下村 拓也; 菖蒲 敬久; 徳平 真之介*; 宮下 敦巳; 西村 昭彦; 大道 博行; 内田 裕久*

no journal, , 

これまで、水素吸蔵材料の吸蔵能の改善は、化学処理、メカニカルアロイング、及び、メカニカルグラインディングによる表面改質により行われてきた。他方、我々は荷電粒子照射による表面改質が、水素吸蔵能の向上に有効であることを提案してきた。本研究では、表層部にGPaレベルの圧力波を生成することで類似の表面改質効果が期待できる短パルスレーザー照射により、水素吸蔵機能向上の可能性を探った。AB5型水素吸蔵合金であるLaNi$$_{4.6}$$Al$$_{0.4}$$ペレットに対して0.2$$sim$$3.4mJ/pulseのフェムト秒レーザーを照射した。照射後、電気化学的手法による水素吸蔵特性測定、SPring-8/BL22XUにおける表面応力歪み測定、及び、XPSによる表面から深さ方向の元素分析を行った。その結果、レーザー照射による水素吸蔵特性の向上が見出された。一方、表面合金表面層には歪みが残留しており、不均質な表面構造状態であることが判明した。さらに最表面層では原子配列が乱れていること、及び、希土類酸化物が生成していることが明らかになった。以上の結果は、レーザー照射によって導入された原子配列の乱れと希土類酸化物が水素吸蔵能を改善させており、レーザー照射技術が水素吸蔵能向上の効果的な手段となり得ることを示唆している。

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