室温で水素ガスと重水素ガスを簡単に分離 冷却不要の省エネルギーな重水素ガス製造技術の実現に期待

2025年3月 3日 11:00 |プレスリリース・研究成果

研究者情報

〇大学院理学研究科　化学専攻
准教授　高石　慎也（タカイシ シンヤ）
東北大学研究者紹介

発表のポイント

マンガン（Mn）錯体においてKubas相互作用^（注１）を利用した室温領域での可逆的水素吸脱着を実現しました。

水素（H₂）ガスと重水素（D₂）ガスで2 kJ/molという既存物質に対して約２倍の吸着エネルギー^（注２）の差を実現し、室温でのH₂/D₂の分離能を実証しました。

現行の液体水素の蒸留に替わる省エネルギーでのD₂ガス製造への応用展開が期待されます。

発表概要

水素ガスの同位体であるD₂ガスはエレクトロニクスや紫外線ランプなど様々な分野で利用されており、その需要は今後さらに高まっていくと予想されています。現在D₂ガスは－250℃で液体水素の蒸留によって生産されています。しかし水素の液化に多くのエネルギーを消費するため、より省エネルギーの分離法が望まれています。
東北大学大学院理学研究科の北山拓大学院生、坂本良太教授、高石慎也准教授の研究グループは、北海道大学大学院地球環境科学研究院の野呂真一郎教授、和歌山大学システム工学部の吉田健文講師、高輝度光科学研究センターの宇留賀朋哉主席研究員との共同研究により、化学親和性量子ふるい（CAQS）と呼ばれる水素の量子性を利用した同位体分離法とKubas相互作用を活用することで、室温領域での水素分子の可逆的吸脱着を可能にし、CAQS機構^（注３）に基づくH₂/D₂分離能を実証しました。本技術により蒸留に比べて遥かに省エネルギーでのD₂製造が可能になると期待されます。
本研究成果は、2025 年2月4日付け (現地時間) で英国王立化学会Dalton Transactions誌 にオンライン掲載されました。

図1.本研究で用いた錯体の水素/重水素吸脱着機構(上)・水素/重水素吸着等温線(左下)・それぞれの吸着等温線から予測される H2/D2 分離能(右下)

用語解説

注1. Kubas相互作用：水素分子の電子と遷移金属の電子の間に働く引力的相互作用。物理吸着^（注４）に比べて吸着が強くなる。
注2. 吸着エネルギー：吸着反応に必要なエネルギーで、通常は負の値をとります。本稿では簡単のため絶対値を示しており、この値が大きいほど吸着されやすいことを意味します。厳密には吸着エンタルピー。
注3. CAQS機構：2015年に独マックスプランク研究所の Hirscher教授らによって提唱されたH₂/D₂分離機構。金属に吸着したH₂およびD₂の分子振動数の差を利用してそれらを分離する機構。
注4. 物理吸着：弱い分子間力（van der Waals 相互作用）による吸着。水素分子の場合、吸着には－100℃以下の低温が必要。

論文情報

タイトル：Hydrogen Isotope Separation at Exceptional High Temperature Using Unsaturated Organometallic Complex
著者： Taku Kitayama, Tamon Yamauchi, Kaiji Uchida, Shunya Tanaka, Ryojun Toyoda, Hiroaki Iguchi, Ryota Sakamoto, Hao Xue, Naoki Kishimoto, Takefumi Yoshida, Tomoya Uruga, Shin-ichiro Noro, and Shinya Takaishi*
*責任著者：東北大学大学院理学研究科 准教授 高石慎也
掲載誌：Dalton Transactions
DOI：10.1039/D4DT03018D

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

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東北大学大学院理学研究科化学専攻
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（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科
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Email：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）