科學研究 - 日本開發出輕量安全的氫載體材料，室溫大氣環境下照射紫外光即可釋放氫

東京工業大學物質理工學院材料系研究生2年級的河村玲哉和宮内雅浩教授，與築波大學的副教授近藤剛弘、研究員Nguyen Thanh Cuong和教授岡田晉、高知工科大學的教授藤田武志及東京大學物性研究所的副教授松田岩等人組成的聯合研究團隊發現，硼和氫的組成比爲1:1的硼化氫片材只需在室溫和大氣壓力下進行光照就能釋放氫。

硼化氫片材最初是在理論上以硼烯（Borophene）這一通用的名預測存在的二維物質，2017年9月該研究團隊首次成功合成出了硼化氫片材。硼化氫片材由輕元素硼和氫構成，氫質量密度高達8％以上，有望作爲輕量安全的氫載體使用，取代存在爆炸風險的儲氫罐。

此次發現的現象只需向硼化氫片材單純照射紫外光，即可在室溫和大氣壓力條件下提取氫氣。利用該技術運輸存在爆炸傷害的氫時，有望實施遠遠高於需要高溫高壓的傳統方法的安全。另外，該研究還利用計算科學從電子結構的角度成功查明瞭透過光照釋放氫的機制。

相關研究成果已於10月25日發佈在《自然通訊》（Nature Communications）上。

圖1：照射紫外光從硼化氫片材釋放氫的模式圖

研究背景

由單層或數層厚的原子構成的物質稱爲二維物質，針對以石墨烯爲首的很多二維材料，研究人員着眼於其與普通物質不同的性質展開了各種各樣的基礎研究和應用研究。有報告顯示，理論研究表明，僅由硼構成的二維物質硼烯的性能超過了石墨烯，但要想成功合成硼烯，需要高溫和超高真空等特殊條件。

對此，上述研究團隊在室溫和大氣壓力這種非常穩定的條件下，成功合成了使氫與擁有二維骨架的硼鍵合的二維物質硼化氫片材。硼化氫片材由輕元素硼和氫構成，因此其氫質量密度高達8.5％，作爲輕量安全的氫載體材料的應用備受期待，有望取代存在爆炸風險的高壓儲氫罐。

研究成果

研究團隊透過第一性原理計算應答，硼化氫片材中會發生硼由鍵結軌域向反鍵軌道移動（α→β），以及氫向反鍵軌道移動的現象（α→γ，圖2）。尤其是氫向反鍵軌道的移動，相當於紫外線的能量。研究團隊做了一個假說，即如果可以透過發光能量將電子移動到γ軌道，應該可以削弱氫的鍵合，只需在常溫常壓下照射紫外線即可釋放氫。

圖2：硼化氫片材的穿透電子顯微術照片（a）、晶體結構（b）和電子結構（c）

爲驗證這個假說，研究團隊使用2種光源分析了硼化氫片材釋放的氣體。照射可見光時，會發生硼由鍵結軌域向反鍵軌道移動（α→β）的現象，而照射紫外線時，則會發生氫向反鍵軌道移動（α→γ）的現象。這個結果與第一性原理計算的預測結果相同，應答照射紫外線可以生成氫（圖3（a））。另外，對照射紫外線時的氫生成量進行定量分析應答，可以釋放出相當於硼化氫片材質量的8％的氫氣（圖3（b））。

以往的儲氫合金的氫質量密度最高只有2％左右。另外，甲基環己烷等有機氫化物也被視爲有前景的氫載體，但其氫質量密度爲6.2％，而且釋放氫氣需要加熱到300 ℃以上。此次發現，宮内教授等人報告的硼化氫片材與以往的氫載體相比只需光照這種非常簡單的操作即可釋等比增大量氫氣。