Research Abstract

高ヒドリドイオン伝導をもつナノ結晶窒化チタン膜による水素透過性の発現

Hydrogen separation by nanocrystalline titanium nitride membranes with high hydride ion conductivity

2017年9月25日 Nature Energy 2 : 786 doi: 10.1038/s41560-017-0002-2 (2017)
高ヒドリドイオン伝導をもつナノ結晶窒化チタン膜による水素透過性の発現
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エネルギー用途や関連産業で使用される純粋な水素の生産は、パラジウム(Pd)系の膜を通した水素の透過に依存していることが多い。しかし、Pd資源は希少であるため、水素透過性が高い手ごろな代替品を開発する必要がある。本論文では、丈夫で不活性のコーティング材料として広く使用されている窒化チタンの室温での水素透過が、ヒドリドイオン-電子混合伝導によって可能になることを報告する。分光測定、透過性測定、微量重量測定を組み合わせることで、ナノ結晶TiN x膜の特性によって、ナノ結晶粒上の界面のTiカチオンが関与するヒドリドアニオンの粒界拡散が増強されることが明らかになった。対応する活性化エネルギーが非常に小さい(10 kJ mol-1未満)ため、この膜の室温での水素フラックスは、同等の厚さのPd膜よりもかなり高くなる。総合的に見れば、今回の研究は、水素純化や膜反応器などの用途のため、単純な遷移金属窒化物を用いたヒドリドイオン輸送膜を開発する際の一般的な指針となる。

Chiharu Kura, Yuji Kunisada, Etsushi Tsuji, Chunyu Zhu, Hiroki Habazaki, Shinji Nagata, Michael P. Muller, Roger A. De Souza and Yoshitaka Aoki

Corresponding Author

青木 芳尚
北海道大学 工学部

The production of pure hydrogen for use in energy applications and related industries often relies on the permeation of hydrogen through palladium-based membranes. However, the scarcity of Pd reserves necessitates the development of affordable alternatives with high hydrogen permeability. Here we report room-temperature hydrogen permeability of titanium nitrides (widely used as tough and inert coating materials) enabled by mixed hydride ion–electron conductivity. Combined spectroscopic, permeability and microgravimetric measurements reveal that nanocrystalline TiN x membranes feature enhanced grain-boundary diffusion of hydride anions associated with interfacial Ti cations on nanograins. Since the corresponding activation energies are very low (<10 kJ mol–1), these membranes yield a considerably higher room-temperature hydrogen flux than Pd membranes of equivalent thickness. Overall, the current study establishes general guidelines for developing hydride ion transport membranes based on a simple transition metal nitride for hydrogen purification, membrane reactors and other applications.

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