JP3894163B2 - 水素吸蔵材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代社会において、水素は合成化学工業や石油精製などに多量に利用されている重要な化学原料である。一方、将来におけるエネルギー問題や環境問題を解決するために、クリーンなエネルギーとしての水素利用技術は重要な位置を占めると考えられ、水素を貯蔵し、それを燃料として稼動する燃料電池の開発が進められている。
【０００３】
かかる燃料電池はガスで作動する電池であり、その際、水素と酸素との反応から得られるエネルギーを直接電気エネルギーに変換する。このような燃料電池は従来の燃焼エンジンに比べて極めて高い効率を有し、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯなどの有毒ガスの放出が全くないため、燃料電池を有する自動車はＺＥＶ（Zero Emission Vehicle）と称されている。
【０００４】
一方、水素の貯蔵法としては、圧縮してボンベに貯蔵する方法、冷却して液体水素とする方法、活性炭に吸着させる方法、水素吸蔵材料を利用する方法などが提案されている。これらの方法の中でも、水素吸蔵材料を利用する方法は燃料電池自動車などの移動媒体において主要な役割を果たすと考えられている。
【０００５】
このような背景の下、水素吸蔵材料としての炭素の使用が提案されている（特許文献１〜３参照）。また、水素雰囲気下で黒鉛（グラファイト）を粉砕する方法により、水素吸蔵材料の水素吸蔵性能が高められることが報告されており（非特許文献１、２参照）、さらに、この粉砕方法により結晶の層間距離が０．３６ｎｍ以上、結晶子の大きさが１０ｎｍ以下となるように黒鉛を粉砕した水素吸蔵材料が提案されている（特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特表平８−５０４３９４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−１０３６１２号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開２００１−１０６５１６号公報
【０００９】
【特許文献４】
特開２００１−３０２２２４号公報
【００１０】
【非特許文献１】
J. Appl. Phys., Vol.90 No.3 (2001) p1545-1549
【００１１】
【非特許文献２】
Appl. Phys. Lett., Vol. 75 No.20 (1999) p3903-3905
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１〜３に記載された水素吸蔵材料は、いずれも単位重量当たりの水素吸蔵量が十分とは言えず、実用に供し得るものとしては未だ不十分である。また、水素吸蔵材料には水素の吸蔵・放出を低温（好ましくは室温）で可逆的に行えることが望まれるが、上記従来の水素吸蔵材料から水素を放出させるためには高温（例えば５００℃以上）に加熱する必要があり、かかる加熱により放出される水素中に炭化水素（ＨＣ）が混入しやすくなって水素の純度が不十分となる。さらに、非特許文献１、２及び特許文献４に記載された水素雰囲気下でグラファイトの粉砕を行う方法は、発火しやすいなど安全性の面で望ましいものとは言えず、さらにはコストが高いという欠点もある。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することができる水素吸蔵材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、炭素原子及び窒素原子を含んで形成された黒鉛構造を有する結晶粒子（以下、場合により「含窒素黒鉛結晶粒子」という）であって、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であり、且つ、黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（以下、場合により「Ｌａ」という）、並びに、黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズ（以下、場合により「Ｌｃ」という）がいずれも１０ｎｍ以下である結晶粒子からなる水素吸蔵材料であれば、上述の目的を達成可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明は、黒鉛構造を有する結晶粒子からなる水素吸蔵材料であって、前記結晶粒子は、炭素原子及び窒素原子を含んで形成されているものであり、前記結晶粒子における、前記炭素原子に対する前記窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であり、且つ、前記結晶粒子における、前記黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ、並びに、前記黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズがいずれも１０ｎｍ以下であることを特徴とする水素吸蔵材料を提供する。
【００１６】
かかる水素吸蔵材料によれば、十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することが可能となる。このような効果が奏される理由は必ずしも明確ではないが、黒鉛構造の炭素骨格中に窒素原子を導入することによってｂａｓａｌ面の電子状態が制御され、水素吸蔵性能（水素吸蔵・放出能）が向上するものと推察される。すなわち、黒鉛（グラファイト）中の炭素原子の４個の価電子は、通常は全て他の原子との結合に使われた状態となっている。これに対して黒鉛中の一部の炭素原子が窒素原子に置換された含窒素黒鉛結晶粒子の場合、窒素原子の５個の価電子のうち３個は炭素原子の場合と同様に黒鉛構造中で原子間結合に使われるが、残りの２個の電子は原子間結合に関与しないローンペア（孤立電子対）として存在することになる。そして、含窒素黒鉛結晶粒子における炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５である場合、このローンペアの存在により含窒素黒鉛結晶粒子と水素分子との分子間力が高められ、なおかつＬａ及びＬｃの値が１０ｎｍ以下である微細な結晶粒子とすることにより、本発明の水素吸蔵材料は高純度且つ十分な量の水素をより確実に低温で吸着・放出することができるものと本発明者らは推察する。なお、第一原理計算による考察の結果、ローンペアが広がっていると考えられる方向から水素分子を接近させた場合、それ以外の方向から水素原子を接近させた場合の数倍の分子間力が働くことが確認されている。
【００１７】
また、本発明にかかる結晶粒子（含窒素黒鉛結晶粒子）は、ラマンスペクトル測定で得られる波数１３５０ｃｍ-1のラマンピークの半値幅が下記式（１）：
ｄ≦（３７６／Ｌａ）＋１９．０ （１）
[式中、ｄは前記ラマンピークの半値幅（ｃｍ-1）を表し、Ｌａは黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（ｎｍ）を表す]
で表される条件を満たすものであることが好ましい。
【００１８】
上記式（１）で表されるｄとＬａとの関係は、含窒素黒鉛結晶粒子の結晶性及び結晶粒子径の均一性の指標であり、ｄとＬａとが上記の条件を満たすことによって、結晶性及び結晶粒子径の均一性が優れ、より優れた水素吸蔵性能を得ることが可能となる傾向がある。
【００１９】
さらに、本発明の水素吸蔵材料は、前記結晶粒子をハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理して得られるものであることが好ましい。
【００２０】
上述した本発明にかかる結晶粒子を、更にハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理することによって、水素の吸蔵・放出において不可逆反応の原因となる活性点がハロゲン及び／又は硫黄酸化物により終端されて不活性化されるとともに、ハロゲンなどの電子吸引作用によりｂａｓａｌ面の電子状態が制御されて水素の解離吸着が起こりやすくなる。従って、上記含窒素黒鉛結晶粒子が本来的に有する水素吸蔵・放出能と、ハロゲン及び／硫黄酸化物の処理による可逆反応（水素の吸着・脱離）の促進効果とにより、高純度且つ十分な量の水素をより確実に低温で吸蔵・放出することが可能となる傾向がある。
【００２１】
本発明はまた、窒素ガス雰囲気中において、黒鉛を２Ｇ以上の粉砕加速度で機械的に粉砕することにより、炭素原子及び窒素原子を含んで形成された黒鉛構造を有する結晶粒子であって、前記炭素原子に対する前記窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であり、且つ、前記黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ、並びに、前記黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズがいずれも１０ｎｍ以下である結晶粒子を得る粉砕工程を含むことを特徴とする、前記結晶粒子からなる水素吸蔵材料の製造方法を提供する。ここで、前記結晶粒子は、ラマンスペクトル測定で得られる波数１３５０ｃｍ-1のラマンピークの半値幅が下記式（１）：
ｄ≦（３７６／Ｌａ）＋１９．０ （１）
[式中、ｄは前記ラマンピークの半値幅（ｃｍ-1）を表し、Ｌａは黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（ｎｍ）を表す]
で表される条件を満たすものであることが好ましい。
【００２２】
かかる製造方法によれば、優れた水素吸蔵性能を有する本発明の水素吸蔵材料を効率的に且つ確実に製造することが可能となる。また、従来技術の有する安全性や製造コストなどの問題を改善することができる。
【００２３】
さらに、本発明の製造方法は、前記粉砕工程後に、前記結晶粒子をハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理する処理工程を更に含む方法であることが好ましい。かかる方法により、結晶粒子がハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理された水素吸蔵材料を効率的に且つ確実に得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明にかかる黒鉛構造を有する結晶粒子（含窒素黒鉛結晶粒子）の一般的なモデルを示す模式図である。図１中、１は基本的に六炭素環が連なってなる炭素層であり、黒鉛構造を有する結晶粒子２は、このような炭素層１が積層して構成されている。そして、本発明にかかる黒鉛構造を有する結晶粒子２においては、炭素層１中及び／又は炭素層１間に窒素原子が含有されており、炭素層１を構成する炭素原子の一部が窒素原子に置換していることが好ましい。また、Ｌａ[ｎｍ]は黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（炭素層１の面に水平な方向における結晶粒子径）、Ｌｃ[ｎｍ]は黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズ（炭素層１の積み重なりの厚さ）を表す。
【００２６】
本発明にかかる黒鉛構造を有する結晶粒子は、炭素原子及び窒素原子を含んで形成されている含窒素黒鉛結晶粒子であり、当該含窒素黒鉛結晶粒子における、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であることが必要であり、且つ、含窒素黒鉛結晶粒子における黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（Ｌａ）及び黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズ（Ｌｃ）がいずれも１０ｎｍ以下であることが必要である。かかる含窒素黒鉛結晶粒子からなる本発明の水素吸蔵材料によれば、高純度且つ十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することができる。
【００２７】
ここで、原子比（Ｎ／Ｃ）が前記下限値未満では、十分な水素吸着能が得られず、前記上限値を超えると、黒鉛結晶構造の結晶性が著しく低下してしまう。また、Ｌａ及びＬｃのうちの少なくとも一方の値が１０ｎｍを超えると、結晶粒子間に生じる空孔が減少してしまい、水素吸着・放出能が低下してしまう。
【００２８】
また、上記本発明の効果をより十分に得る観点から、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）は０．０６〜０．３であることがより好ましく、また、Ｌａ及びＬｃの値はいずれも９ｎｍ以下であることがより好ましく、０．３〜８ｎｍであることがさらに好ましい。
【００２９】
また、本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子は、ラマンスペクトル測定で得られる波数１３５０ｃｍ-1のラマンピークの半値幅ｄと結晶粒子サイズＬａとが下記式（１）：
ｄ≦（３７６／Ｌａ）＋１９．０ （１）
で表される条件を満たすことが好ましい。上記式（１）で表されるｄとＬａとの関係は、先に述べたように、炭素の結晶性及び結晶粒子径の均一性の指標であり、ｄとＬａとが上記の条件を満たさない場合には、結晶性及び結晶粒子径の均一性が低く水素吸蔵・放出能が不十分となる傾向にある。
【００３０】
また、上記と同様の理由により、半値幅ｄと結晶粒子サイズＬａとが下記式（２）：
ｄ≦（３４１／Ｌａ）＋１０．５ （２）
で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を用いることがより好ましい。
【００３１】
以上説明したような本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子は、黒鉛を窒素ガス雰囲気中で所定の条件下で粉砕する粉砕工程を行うことにより得ることができる。
【００３２】
上記黒鉛の原料としては、純度の高い天然黒鉛や、高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）のような黒鉛化度の高い人造黒鉛などの黒鉛（グラファイト）を用いることが好ましい。
【００３３】
上記粉砕工程は、窒素ガス雰囲気中、２Ｇ以上の粉砕加速度で黒鉛を機械的に粉砕する工程であり、粉砕加速度は１０Ｇ以上であることが好ましい。これにより、上述した本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子をより確実に製造することができる。そして、この粉砕工程においては、粉砕加速度を２Ｇ以上に設定可能な粉砕装置（ボールミルなど）が好適に使用される。特に、遊星ボールミルを用いると、１０Ｇ以上の高い粉砕加速度に設定することができるため粉砕効果が向上し、上述した本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子を容易に且つ確実に得ることができるので好ましい。
【００３４】
ここで、上記粉砕工程において、窒素ガス雰囲気中の窒素濃度は９０容量％以上であることが好ましく、また、圧力は０．１〜１０ＭＰａであることが好ましい。更に、上記粉砕工程は、０〜１００℃の温度条件で０．１〜１００時間行うことが好ましい。このような条件で粉砕工程を行うことによって、本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子をより確実に得ることができる傾向がある。
【００３５】
本発明の水素吸蔵材料は、このようにして得られる含窒素黒鉛結晶粒子をそのまま用いたものであってもよいが、含窒素黒鉛結晶粒子をさらにハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理して得られるものであることがより好ましい。
【００３６】
ここで、上記ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素などが挙げられる。また、硫黄酸化物としては、発煙硫酸から発生する三酸化硫黄などが挙げられる。
【００３７】
このような処理工程を行う際のハロゲン又は硫黄酸化物の圧力は、好ましくは０．１〜１０ＭＰａであり、処理温度は好ましくは０〜３００℃である。なお、処理温度が３００℃を超えると、得られる水素吸蔵材料の水素吸蔵・放出能が低下する傾向にあり、また、水素吸蔵材料から水素を放出させる際に、当該水素中に炭化水素（ＨＣ）などの不純物が混入しやすくなるので好ましくない。
【００３８】
上記処理工程は１回のみ行ってもよいが、これを複数回行うことによって水素吸蔵材料の水素吸蔵・放出能をより高めることができる。また、ハロゲン及び硫黄酸化物のうちの２種以上を組み合わせて処理を行ってもよく、例えばフッ素で処理した後さらに発煙硫酸からの三酸化硫黄で処理してもよい。
【００３９】
なお、本発明においては、窒素ガス雰囲気中での上記粉砕工程を行った後、窒素ガスをハロゲン及び／又は硫黄酸化物を含むガスと入れ替え、当該ガス雰囲気中でさらに機械的粉砕を行ったり、上記粉砕工程を行った後、窒素ガス雰囲気中にハロゲン及び／又は硫黄酸化物を含むガスを導入し、これらの混合ガス雰囲気中でさらに機械的粉砕を行ったりしてもよい。
【００４０】
このような処理工程を行って得られる本発明の水素吸蔵材料においては、Ｃ−Ｆ、Ｃ−Ｃｌ、Ｃ−Ｂｒ、Ｃ−Ｉ、Ｃ−ＳＯ3Ｈなどの形成により、水素の吸着・脱離における不可逆反応の活性点が終端されると共に、−Ｆ、−Ｃｌ、−Ｂｒ、−Ｉ、−ＳＯ3Ｈなどの官能基の電子吸引作用によりｂａｓａｌ面の電子状態が制御されて水素の解離吸着が起こりやすくなる。従って、一旦吸蔵された水素が放出されにくくなる現象が起こりにくくなり、高純度且つ十分な量の水素を低温で放出することが可能となる傾向にある。
【００４１】
本発明の水素吸蔵材料は、必要に応じてハロゲン及び／又は硫黄酸化物により処理された含窒素黒鉛結晶粒子に加え、さらに所定の触媒を含んでいてもよい。これにより、含窒素黒鉛結晶粒子の水素吸蔵・放出能と触媒による水素の脱離促進作用との相乗効果が得られ、より高い水素吸蔵・放出能を有する水素吸蔵材料を実現することができる。
【００４２】
上記触媒としては、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、オスミウム（Ｏｓ）などが挙げられ、これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００４３】
本発明の水素吸蔵材料に上記の触媒を含有させる場合、ハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理された含窒素黒鉛結晶粒子を触媒と混合してもよく、あるいは粉砕工程で得られる含窒素黒鉛結晶粒子と触媒とを混合した後、必要に応じてハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理してもよい。
【００４４】
また、かかる混合の際には、触媒をそのまま含窒素黒鉛結晶粒子と混合してもよく、あるいは触媒の前駆体である所定の化合物を含窒素黒鉛結晶粒子と混合して、触媒を含窒素黒鉛結晶粒子に担持してもよい。例えば、含窒素黒鉛結晶粒子に白金が担持された水素吸蔵材料を得る場合には、触媒の前駆体として白金錯体を用いることができる。
【００４５】
さらに、かかる混合の際には、溶媒として二酸化炭素（ＣＯ2）などの超臨界流体を用いることが好ましい。超臨界流体中で含窒素黒鉛結晶粒子と触媒とを混合すると、両者の分散均一性が向上して水素吸蔵・放出能がより高められる傾向にある。処理条件は超臨界流体の種類により異なるが、例えば二酸化炭素を用いる場合の処理温度は４０〜２００℃、圧力は５〜５０ＭＰａ、処理時間は０．１〜１０時間がそれぞれ好ましい。
【００４６】
上記の構成を有する本発明の水素吸蔵材料は、高純度且つ十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することができるものである。ここで、水素を吸蔵させるときの水素圧は０．１〜７０ＭＰａ、処理温度は２０〜３００℃であることが好ましい。また、このようにして水素が吸蔵された水素吸蔵材料を密閉容器内に入れ、所定の温度下（好ましくは２０〜３００℃）で容器内を減圧することによって、十分な量の水素を容易に放出させることができるが、このときの圧力は０．１ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００４７】
本発明の水素吸蔵材料においては、１回の水素吸蔵処理により十分な量の水素を吸蔵することが可能であるが、水素吸蔵処理と水素放出処理とを交互に複数回繰り返すと、その水素吸蔵・放出能が高められる傾向にあるので好ましい。
【００４８】
【実施例】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４９】
[実施例１]
（黒鉛の粉砕工程）
窒素ガス雰囲気に保たれたグローブボックス内で、グラファイト（和光純薬工業社製、商品名：グラファイト粉末、Ｌａ＞１００ｎｍ、Ｌｃ＞１００ｎｍ）５ｇをステンレス球（４ｍｍφ）とともにステンレス製容器（内容積８０ｍｌ）に入れた後、窒素ガスを１．０ＭＰａまで導入し、遊星ボールミルにて４００ｒｐｍで１２時間、機械的粉砕処理を行った。なお、このときの粉砕加速度は１０Ｇであった。これにより、Ｌａが４ｎｍ、Ｌｃが３ｎｍ、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．１１、ラマン半値幅ｄが８７ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が１１３であり、上記式（１）で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を得た。ここで、Ｌａはラマン分光分析により１３５０ｃｍ-1付近と１５８０ｃｍ-1付近のピーク比からTuinstraの式を用いて算出し、ＬｃはＸ線回折パターンの００２ピークの半値幅からScherrerの式を用いて算出し、原子比（Ｎ／Ｃ）は有機元素分析（燃焼・酸化・還元によりガス化し、熱伝導度検出器によりＣ、Ｎ成分を定量）により求めた。
【００５０】
（フッ素処理工程）
次に、得られた含窒素黒鉛結晶粒子を、真空且つ高圧に耐え得るステンレス製反応容器（内容積２０ｍｌ）に入れ、この反応容器を排気装置に接続してロータリーポンプにより反応容器内を０．１Ｔｏｒｒ程度まで減圧した。更に、反応容器内の脱気処理を完全に行うために、減圧下で２００℃に加熱して１時間保持した。次いで、フッ素ガス（純度９９．９９％）を反応容器内に導入し、室温（２５℃、以下同様である）、フッ素圧５ＭＰａの条件下で保持した。フッ素の吸収（フッ素圧の低下）が停止したことを確認した後、室温で反応容器内を減圧してフッ素を放出させて目的の水素吸蔵材料を得た。
【００５１】
（水素の吸蔵・放出）
この水素吸蔵材料を入れた反応容器内を０．１Ｔｏｒｒ程度まで減圧した後、水素（純度９９．９９９９％）を導入し、室温、水素圧５ＭＰａの条件下で保持したところ、直ちに水素の吸収が認められた。この水素の吸収（水素圧の低下）が停止したことを確認した後、室温で反応容器内を減圧して水素を放出させた。
【００５２】
更に、室温、水素圧５ＭＰａでの水素吸収と室温、減圧下での水素放出とを繰り返し、水素放出の際にはその放出量（吸蔵量）を容器内の水素圧に基づいて求めた。この水素の吸収・放出を水素放出量が一定値に達するまで繰り返した。その結果、本実施例の水素吸蔵材料の水素放出量は、最大値５．６重量％を示した。
【００５３】
[実施例２]
（含窒素黒鉛結晶粒子の作製）
Ｎ−ビニル−２−ピロリドン１０ｇをアルミナボートに載置し、石英管状炉にて、窒素ガス雰囲気中、９５０℃で６時間焼成した。これにより、Ｌａが８．２ｎｍ、Ｌｃが５．４ｎｍ、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０６、ラマン半値幅ｄが９７ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が６４．９であり、上記式（１）で表される条件を満たさない含窒素黒鉛結晶粒子を得た。
【００５４】
（水素の吸蔵・放出）
得られた含窒素黒鉛結晶粒子を水素吸蔵材料として、この水素吸蔵材料を真空且つ高圧に耐え得るステンレス製反応容器（内容積２０ｍｌ）に入れ、この反応容器を排気装置に接続してロータリーポンプにより反応容器内を０．１Ｔｏｒｒ程度まで減圧した。更に、反応容器内の脱気処理を完全に行うために、減圧下で２００℃に加熱して１時間保持した。
【００５５】
次いで、反応容器内に水素を導入し、室温、水素圧５ＭＰａの条件下で保持した。水素の吸収（水素圧の低下）が停止したことを確認した後、室温で反応容器内を減圧して水素を放出させた。
【００５６】
更に、室温、水素圧５ＭＰａでの水素吸収と室温、減圧下での水素放出とを繰り返し、水素放出の際にはその放出量（吸蔵量）を容器内の水素圧に基づいて求めた。この水素の吸収・放出を水素放出量が一定値に達するまで繰り返しところ、水素放出量は最大値３．１重量％を示した。
【００５７】
[比較例１]
アルゴンガス雰囲気に保たれたグローブボックス内で、グラファイト（和光純薬工業社製、商品名：グラファイト粉末、Ｌａ＞１００ｎｍ、Ｌｃ＞１００ｎｍ）５ｇをステンレス球（４ｍｍφ）とともにステンレス製容器（内容積８０ｍｌ）に入れた後、アルゴンガスを１．０ＭＰａまで導入し、遊星ボールミルにて４００ｒｐｍで１２時間、機械的粉砕処理を行った。なお、このときの粉砕加速度は１０Ｇであった。これにより、Ｌａが９．２ｎｍ、Ｌｃが７．５ｎｍ、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．００、ラマン半値幅ｄが３８．６ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が４７．６であり、上記式（１）で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を得た。
【００５８】
得られた含窒素黒鉛結晶粒子を水素吸蔵材料として、この水素吸蔵材料について、実施例２と同様の方法で水素吸蔵性能を調べたところ、水素放出量は最大値０．１２重量％を示した。
【００５９】
[比較例２]
窒素ガス雰囲気に保たれたグローブボックス内で、グラファイト（和光純薬工業社製、商品名：グラファイト粉末、Ｌａ＞１００ｎｍ、Ｌｃ＞１００ｎｍ）５ｇをステンレス球（４ｍｍφ）とともにステンレス製容器（内容積８０ｍｌ）に入れた後、窒素ガスを１．０ＭＰａまで導入し、横回転式ボールミルにて６０ｒｐｍで１２時間、機械的粉砕処理を行った。なお、このときの粉砕加速度は１．２Ｇであった。これにより、Ｌａが１００ｎｍ以上、Ｌｃが１００ｎｍ以上、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．００、ラマン半値幅ｄが１４．２ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が１９以上であり、上記式（１）で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を得た。
【００６０】
得られた含窒素黒鉛結晶粒子に対して、実施例１と同様にしてフッ素処理を行い、それにより得られた水素吸蔵材料について、実施例１と同様の方法で水素吸蔵性能を調べたところ、水素放出量は最大値０．０７重量％を示した。
【００６１】
[比較例３]
窒素ガス雰囲気に保たれたグローブボックス内で、グラファイト（和光純薬工業社製、商品名：グラファイト粉末、Ｌａ＞１００ｎｍ、Ｌｃ＞１００ｎｍ）５ｇをステンレス球（４ｍｍφ）とともにステンレス製容器（内容積８０ｍｌ）に入れた後、窒素ガスを１．０ＭＰａまで導入し、遊星ボールミルにて４００ｒｐｍで０．５時間、機械的粉砕処理を行った。なお、このときの粉砕加速度は１０Ｇであった。これにより、Ｌａが３８ｎｍ、Ｌｃが２３ｎｍ、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０７、ラマン半値幅ｄが２２．４ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が２８．９であり、上記式（１）で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を得た。
【００６２】
得られた含窒素黒鉛結晶粒子に対して、実施例１と同様にしてフッ素処理を行い、それにより得られた水素吸蔵材料について、実施例１と同様の方法で水素吸蔵性能を調べたところ、水素放出量は最大値０．８重量％を示した。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の水素吸蔵材料によれば、高純度且つ十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することが可能となる。
【００６４】
また、本発明の水素吸蔵材料の製造方法によれば、上述のように優れた水素吸蔵・放出能を有する本発明の水素吸蔵材料を効率的に且つ確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる黒鉛構造を有する結晶粒子の一般的なモデルを示す模式図である。
【符号の説明】
１…炭素層、２・・・黒鉛構造を有する結晶粒子、Ｌａ…黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ、Ｌｃ…黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代社会において、水素は合成化学工業や石油精製などに多量に利用されている重要な化学原料である。一方、将来におけるエネルギー問題や環境問題を解決するために、クリーンなエネルギーとしての水素利用技術は重要な位置を占めると考えられ、水素を貯蔵し、それを燃料として稼動する燃料電池の開発が進められている。
【０００３】
かかる燃料電池はガスで作動する電池であり、その際、水素と酸素との反応から得られるエネルギーを直接電気エネルギーに変換する。このような燃料電池は従来の燃焼エンジンに比べて極めて高い効率を有し、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯなどの有毒ガスの放出が全くないため、燃料電池を有する自動車はＺＥＶ（Zero Emission Vehicle）と称されている。
【０００４】
一方、水素の貯蔵法としては、圧縮してボンベに貯蔵する方法、冷却して液体水素とする方法、活性炭に吸着させる方法、水素吸蔵材料を利用する方法などが提案されている。これらの方法の中でも、水素吸蔵材料を利用する方法は燃料電池自動車などの移動媒体において主要な役割を果たすと考えられている。
【０００５】
このような背景の下、水素吸蔵材料としての炭素の使用が提案されている（特許文献１〜３参照）。また、水素雰囲気下で黒鉛（グラファイト）を粉砕する方法により、水素吸蔵材料の水素吸蔵性能が高められることが報告されており（非特許文献１、２参照）、さらに、この粉砕方法により結晶の層間距離が０．３６ｎｍ以上、結晶子の大きさが１０ｎｍ以下となるように黒鉛を粉砕した水素吸蔵材料が提案されている（特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特表平８−５０４３９４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−１０３６１２号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開２００１−１０６５１６号公報
【０００９】
【特許文献４】
特開２００１−３０２２２４号公報
【００１０】
【非特許文献１】
J. Appl. Phys., Vol.90 No.3 (2001) p1545-1549
【００１１】
【非特許文献２】
Appl. Phys. Lett., Vol. 75 No.20 (1999) p3903-3905
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１〜３に記載された水素吸蔵材料は、いずれも単位重量当たりの水素吸蔵量が十分とは言えず、実用に供し得るものとしては未だ不十分である。また、水素吸蔵材料には水素の吸蔵・放出を低温（好ましくは室温）で可逆的に行えることが望まれるが、上記従来の水素吸蔵材料から水素を放出させるためには高温（例えば５００℃以上）に加熱する必要があり、かかる加熱により放出される水素中に炭化水素（ＨＣ）が混入しやすくなって水素の純度が不十分となる。さらに、非特許文献１、２及び特許文献４に記載された水素雰囲気下でグラファイトの粉砕を行う方法は、発火しやすいなど安全性の面で望ましいものとは言えず、さらにはコストが高いという欠点もある。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することができる水素吸蔵材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、炭素原子及び窒素原子を含んで形成された黒鉛構造を有する結晶粒子（以下、場合により「含窒素黒鉛結晶粒子」という）であって、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であり、且つ、黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（以下、場合により「Ｌａ」という）、並びに、黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズ（以下、場合により「Ｌｃ」という）がいずれも１０ｎｍ以下である結晶粒子からなる水素吸蔵材料であれば、上述の目的を達成可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明は、黒鉛構造を有する結晶粒子からなる水素吸蔵材料であって、前記結晶粒子は、炭素原子及び窒素原子を含んで形成されているものであり、前記結晶粒子における、前記炭素原子に対する前記窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であり、且つ、前記結晶粒子における、前記黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ、並びに、前記黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズがいずれも１０ｎｍ以下であることを特徴とする水素吸蔵材料を提供する。
【００１６】
かかる水素吸蔵材料によれば、十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することが可能となる。このような効果が奏される理由は必ずしも明確ではないが、黒鉛構造の炭素骨格中に窒素原子を導入することによってｂａｓａｌ面の電子状態が制御され、水素吸蔵性能（水素吸蔵・放出能）が向上するものと推察される。すなわち、黒鉛（グラファイト）中の炭素原子の４個の価電子は、通常は全て他の原子との結合に使われた状態となっている。これに対して黒鉛中の一部の炭素原子が窒素原子に置換された含窒素黒鉛結晶粒子の場合、窒素原子の５個の価電子のうち３個は炭素原子の場合と同様に黒鉛構造中で原子間結合に使われるが、残りの２個の電子は原子間結合に関与しないローンペア（孤立電子対）として存在することになる。そして、含窒素黒鉛結晶粒子における炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５である場合、このローンペアの存在により含窒素黒鉛結晶粒子と水素分子との分子間力が高められ、なおかつＬａ及びＬｃの値が１０ｎｍ以下である微細な結晶粒子とすることにより、本発明の水素吸蔵材料は高純度且つ十分な量の水素をより確実に低温で吸着・放出することができるものと本発明者らは推察する。なお、第一原理計算による考察の結果、ローンペアが広がっていると考えられる方向から水素分子を接近させた場合、それ以外の方向から水素原子を接近させた場合の数倍の分子間力が働くことが確認されている。
【００１７】
また、本発明にかかる結晶粒子（含窒素黒鉛結晶粒子）は、ラマンスペクトル測定で得られる波数１３５０ｃｍ-1のラマンピークの半値幅が下記式（１）：
ｄ≦（３７６／Ｌａ）＋１９．０ （１）
[式中、ｄは前記ラマンピークの半値幅（ｃｍ-1）を表し、Ｌａは黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（ｎｍ）を表す]
で表される条件を満たすものであることが好ましい。
【００１８】
上記式（１）で表されるｄとＬａとの関係は、含窒素黒鉛結晶粒子の結晶性及び結晶粒子径の均一性の指標であり、ｄとＬａとが上記の条件を満たすことによって、結晶性及び結晶粒子径の均一性が優れ、より優れた水素吸蔵性能を得ることが可能となる傾向がある。
【００１９】
さらに、本発明の水素吸蔵材料は、前記結晶粒子をハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理して得られるものであることが好ましい。
【００２０】
上述した本発明にかかる結晶粒子を、更にハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理することによって、水素の吸蔵・放出において不可逆反応の原因となる活性点がハロゲン及び／又は硫黄酸化物により終端されて不活性化されるとともに、ハロゲンなどの電子吸引作用によりｂａｓａｌ面の電子状態が制御されて水素の解離吸着が起こりやすくなる。従って、上記含窒素黒鉛結晶粒子が本来的に有する水素吸蔵・放出能と、ハロゲン及び／硫黄酸化物の処理による可逆反応（水素の吸着・脱離）の促進効果とにより、高純度且つ十分な量の水素をより確実に低温で吸蔵・放出することが可能となる傾向がある。
【００２１】
本発明はまた、窒素ガス雰囲気中において、黒鉛を２Ｇ以上の粉砕加速度で機械的に粉砕することにより、炭素原子及び窒素原子を含んで形成された黒鉛構造を有する結晶粒子であって、前記炭素原子に対する前記窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であり、且つ、前記黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ、並びに、前記黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズがいずれも１０ｎｍ以下である結晶粒子を得る粉砕工程を含むことを特徴とする、前記結晶粒子からなる水素吸蔵材料の製造方法を提供する。ここで、前記結晶粒子は、ラマンスペクトル測定で得られる波数１３５０ｃｍ-1のラマンピークの半値幅が下記式（１）：
ｄ≦（３７６／Ｌａ）＋１９．０ （１）
[式中、ｄは前記ラマンピークの半値幅（ｃｍ-1）を表し、Ｌａは黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（ｎｍ）を表す]
で表される条件を満たすものであることが好ましい。
【００２２】
かかる製造方法によれば、優れた水素吸蔵性能を有する本発明の水素吸蔵材料を効率的に且つ確実に製造することが可能となる。また、従来技術の有する安全性や製造コストなどの問題を改善することができる。
【００２３】
さらに、本発明の製造方法は、前記粉砕工程後に、前記結晶粒子をハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理する処理工程を更に含む方法であることが好ましい。かかる方法により、結晶粒子がハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理された水素吸蔵材料を効率的に且つ確実に得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明にかかる黒鉛構造を有する結晶粒子（含窒素黒鉛結晶粒子）の一般的なモデルを示す模式図である。図１中、１は基本的に六炭素環が連なってなる炭素層であり、黒鉛構造を有する結晶粒子２は、このような炭素層１が積層して構成されている。そして、本発明にかかる黒鉛構造を有する結晶粒子２においては、炭素層１中及び／又は炭素層１間に窒素原子が含有されており、炭素層１を構成する炭素原子の一部が窒素原子に置換していることが好ましい。また、Ｌａ[ｎｍ]は黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（炭素層１の面に水平な方向における結晶粒子径）、Ｌｃ[ｎｍ]は黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズ（炭素層１の積み重なりの厚さ）を表す。
【００２６】
本発明にかかる黒鉛構造を有する結晶粒子は、炭素原子及び窒素原子を含んで形成されている含窒素黒鉛結晶粒子であり、当該含窒素黒鉛結晶粒子における、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であることが必要であり、且つ、含窒素黒鉛結晶粒子における黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（Ｌａ）及び黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズ（Ｌｃ）がいずれも１０ｎｍ以下であることが必要である。かかる含窒素黒鉛結晶粒子からなる本発明の水素吸蔵材料によれば、高純度且つ十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することができる。
【００２７】
ここで、原子比（Ｎ／Ｃ）が前記下限値未満では、十分な水素吸着能が得られず、前記上限値を超えると、黒鉛結晶構造の結晶性が著しく低下してしまう。また、Ｌａ及びＬｃのうちの少なくとも一方の値が１０ｎｍを超えると、結晶粒子間に生じる空孔が減少してしまい、水素吸着・放出能が低下してしまう。
【００２８】
また、上記本発明の効果をより十分に得る観点から、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）は０．０６〜０．３であることがより好ましく、また、Ｌａ及びＬｃの値はいずれも９ｎｍ以下であることがより好ましく、０．３〜８ｎｍであることがさらに好ましい。
【００２９】
また、本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子は、ラマンスペクトル測定で得られる波数１３５０ｃｍ-1のラマンピークの半値幅ｄと結晶粒子サイズＬａとが下記式（１）：
ｄ≦（３７６／Ｌａ）＋１９．０ （１）
で表される条件を満たすことが好ましい。上記式（１）で表されるｄとＬａとの関係は、先に述べたように、炭素の結晶性及び結晶粒子径の均一性の指標であり、ｄとＬａとが上記の条件を満たさない場合には、結晶性及び結晶粒子径の均一性が低く水素吸蔵・放出能が不十分となる傾向にある。
【００３０】
また、上記と同様の理由により、半値幅ｄと結晶粒子サイズＬａとが下記式（２）：
ｄ≦（３４１／Ｌａ）＋１０．５ （２）
で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を用いることがより好ましい。
【００３１】
以上説明したような本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子は、黒鉛を窒素ガス雰囲気中で所定の条件下で粉砕する粉砕工程を行うことにより得ることができる。
【００３２】
上記黒鉛の原料としては、純度の高い天然黒鉛や、高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）のような黒鉛化度の高い人造黒鉛などの黒鉛（グラファイト）を用いることが好ましい。
【００３３】
上記粉砕工程は、窒素ガス雰囲気中、２Ｇ以上の粉砕加速度で黒鉛を機械的に粉砕する工程であり、粉砕加速度は１０Ｇ以上であることが好ましい。これにより、上述した本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子をより確実に製造することができる。そして、この粉砕工程においては、粉砕加速度を２Ｇ以上に設定可能な粉砕装置（ボールミルなど）が好適に使用される。特に、遊星ボールミルを用いると、１０Ｇ以上の高い粉砕加速度に設定することができるため粉砕効果が向上し、上述した本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子を容易に且つ確実に得ることができるので好ましい。
【００３４】
ここで、上記粉砕工程において、窒素ガス雰囲気中の窒素濃度は９０容量％以上であることが好ましく、また、圧力は０．１〜１０ＭＰａであることが好ましい。更に、上記粉砕工程は、０〜１００℃の温度条件で０．１〜１００時間行うことが好ましい。このような条件で粉砕工程を行うことによって、本発明にかかる含窒素黒鉛結晶粒子をより確実に得ることができる傾向がある。
【００３５】
本発明の水素吸蔵材料は、このようにして得られる含窒素黒鉛結晶粒子をそのまま用いたものであってもよいが、含窒素黒鉛結晶粒子をさらにハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理して得られるものであることがより好ましい。
【００３６】
ここで、上記ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素などが挙げられる。また、硫黄酸化物としては、発煙硫酸から発生する三酸化硫黄などが挙げられる。
【００３７】
このような処理工程を行う際のハロゲン又は硫黄酸化物の圧力は、好ましくは０．１〜１０ＭＰａであり、処理温度は好ましくは０〜３００℃である。なお、処理温度が３００℃を超えると、得られる水素吸蔵材料の水素吸蔵・放出能が低下する傾向にあり、また、水素吸蔵材料から水素を放出させる際に、当該水素中に炭化水素（ＨＣ）などの不純物が混入しやすくなるので好ましくない。
【００３８】
上記処理工程は１回のみ行ってもよいが、これを複数回行うことによって水素吸蔵材料の水素吸蔵・放出能をより高めることができる。また、ハロゲン及び硫黄酸化物のうちの２種以上を組み合わせて処理を行ってもよく、例えばフッ素で処理した後さらに発煙硫酸からの三酸化硫黄で処理してもよい。
【００３９】
なお、本発明においては、窒素ガス雰囲気中での上記粉砕工程を行った後、窒素ガスをハロゲン及び／又は硫黄酸化物を含むガスと入れ替え、当該ガス雰囲気中でさらに機械的粉砕を行ったり、上記粉砕工程を行った後、窒素ガス雰囲気中にハロゲン及び／又は硫黄酸化物を含むガスを導入し、これらの混合ガス雰囲気中でさらに機械的粉砕を行ったりしてもよい。
【００４０】
このような処理工程を行って得られる本発明の水素吸蔵材料においては、Ｃ−Ｆ、Ｃ−Ｃｌ、Ｃ−Ｂｒ、Ｃ−Ｉ、Ｃ−ＳＯ3Ｈなどの形成により、水素の吸着・脱離における不可逆反応の活性点が終端されると共に、−Ｆ、−Ｃｌ、−Ｂｒ、−Ｉ、−ＳＯ3Ｈなどの官能基の電子吸引作用によりｂａｓａｌ面の電子状態が制御されて水素の解離吸着が起こりやすくなる。従って、一旦吸蔵された水素が放出されにくくなる現象が起こりにくくなり、高純度且つ十分な量の水素を低温で放出することが可能となる傾向にある。
【００４１】
本発明の水素吸蔵材料は、必要に応じてハロゲン及び／又は硫黄酸化物により処理された含窒素黒鉛結晶粒子に加え、さらに所定の触媒を含んでいてもよい。これにより、含窒素黒鉛結晶粒子の水素吸蔵・放出能と触媒による水素の脱離促進作用との相乗効果が得られ、より高い水素吸蔵・放出能を有する水素吸蔵材料を実現することができる。
【００４２】
上記触媒としては、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、オスミウム（Ｏｓ）などが挙げられ、これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００４３】
本発明の水素吸蔵材料に上記の触媒を含有させる場合、ハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理された含窒素黒鉛結晶粒子を触媒と混合してもよく、あるいは粉砕工程で得られる含窒素黒鉛結晶粒子と触媒とを混合した後、必要に応じてハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理してもよい。
【００４４】
また、かかる混合の際には、触媒をそのまま含窒素黒鉛結晶粒子と混合してもよく、あるいは触媒の前駆体である所定の化合物を含窒素黒鉛結晶粒子と混合して、触媒を含窒素黒鉛結晶粒子に担持してもよい。例えば、含窒素黒鉛結晶粒子に白金が担持された水素吸蔵材料を得る場合には、触媒の前駆体として白金錯体を用いることができる。
【００４５】
さらに、かかる混合の際には、溶媒として二酸化炭素（ＣＯ2）などの超臨界流体を用いることが好ましい。超臨界流体中で含窒素黒鉛結晶粒子と触媒とを混合すると、両者の分散均一性が向上して水素吸蔵・放出能がより高められる傾向にある。処理条件は超臨界流体の種類により異なるが、例えば二酸化炭素を用いる場合の処理温度は４０〜２００℃、圧力は５〜５０ＭＰａ、処理時間は０．１〜１０時間がそれぞれ好ましい。
【００４６】
上記の構成を有する本発明の水素吸蔵材料は、高純度且つ十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することができるものである。ここで、水素を吸蔵させるときの水素圧は０．１〜７０ＭＰａ、処理温度は２０〜３００℃であることが好ましい。また、このようにして水素が吸蔵された水素吸蔵材料を密閉容器内に入れ、所定の温度下（好ましくは２０〜３００℃）で容器内を減圧することによって、十分な量の水素を容易に放出させることができるが、このときの圧力は０．１ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００４７】
本発明の水素吸蔵材料においては、１回の水素吸蔵処理により十分な量の水素を吸蔵することが可能であるが、水素吸蔵処理と水素放出処理とを交互に複数回繰り返すと、その水素吸蔵・放出能が高められる傾向にあるので好ましい。
【００４８】
【実施例】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４９】
[実施例１]
（黒鉛の粉砕工程）
窒素ガス雰囲気に保たれたグローブボックス内で、グラファイト（和光純薬工業社製、商品名：グラファイト粉末、Ｌａ＞１００ｎｍ、Ｌｃ＞１００ｎｍ）５ｇをステンレス球（４ｍｍφ）とともにステンレス製容器（内容積８０ｍｌ）に入れた後、窒素ガスを１．０ＭＰａまで導入し、遊星ボールミルにて４００ｒｐｍで１２時間、機械的粉砕処理を行った。なお、このときの粉砕加速度は１０Ｇであった。これにより、Ｌａが４ｎｍ、Ｌｃが３ｎｍ、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．１１、ラマン半値幅ｄが８７ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が１１３であり、上記式（１）で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を得た。ここで、Ｌａはラマン分光分析により１３５０ｃｍ-1付近と１５８０ｃｍ-1付近のピーク比からTuinstraの式を用いて算出し、ＬｃはＸ線回折パターンの００２ピークの半値幅からScherrerの式を用いて算出し、原子比（Ｎ／Ｃ）は有機元素分析（燃焼・酸化・還元によりガス化し、熱伝導度検出器によりＣ、Ｎ成分を定量）により求めた。
【００５０】
（フッ素処理工程）
次に、得られた含窒素黒鉛結晶粒子を、真空且つ高圧に耐え得るステンレス製反応容器（内容積２０ｍｌ）に入れ、この反応容器を排気装置に接続してロータリーポンプにより反応容器内を０．１Ｔｏｒｒ程度まで減圧した。更に、反応容器内の脱気処理を完全に行うために、減圧下で２００℃に加熱して１時間保持した。次いで、フッ素ガス（純度９９．９９％）を反応容器内に導入し、室温（２５℃、以下同様である）、フッ素圧５ＭＰａの条件下で保持した。フッ素の吸収（フッ素圧の低下）が停止したことを確認した後、室温で反応容器内を減圧してフッ素を放出させて目的の水素吸蔵材料を得た。
【００５１】
（水素の吸蔵・放出）
この水素吸蔵材料を入れた反応容器内を０．１Ｔｏｒｒ程度まで減圧した後、水素（純度９９．９９９９％）を導入し、室温、水素圧５ＭＰａの条件下で保持したところ、直ちに水素の吸収が認められた。この水素の吸収（水素圧の低下）が停止したことを確認した後、室温で反応容器内を減圧して水素を放出させた。
【００５２】
更に、室温、水素圧５ＭＰａでの水素吸収と室温、減圧下での水素放出とを繰り返し、水素放出の際にはその放出量（吸蔵量）を容器内の水素圧に基づいて求めた。この水素の吸収・放出を水素放出量が一定値に達するまで繰り返した。その結果、本実施例の水素吸蔵材料の水素放出量は、最大値５．６重量％を示した。
【００５３】
[実施例２]
（含窒素黒鉛結晶粒子の作製）
Ｎ−ビニル−２−ピロリドン１０ｇをアルミナボートに載置し、石英管状炉にて、窒素ガス雰囲気中、９５０℃で６時間焼成した。これにより、Ｌａが８．２ｎｍ、Ｌｃが５．４ｎｍ、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０６、ラマン半値幅ｄが９７ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が６４．９であり、上記式（１）で表される条件を満たさない含窒素黒鉛結晶粒子を得た。
【００５４】
（水素の吸蔵・放出）
得られた含窒素黒鉛結晶粒子を水素吸蔵材料として、この水素吸蔵材料を真空且つ高圧に耐え得るステンレス製反応容器（内容積２０ｍｌ）に入れ、この反応容器を排気装置に接続してロータリーポンプにより反応容器内を０．１Ｔｏｒｒ程度まで減圧した。更に、反応容器内の脱気処理を完全に行うために、減圧下で２００℃に加熱して１時間保持した。
【００５５】
次いで、反応容器内に水素を導入し、室温、水素圧５ＭＰａの条件下で保持した。水素の吸収（水素圧の低下）が停止したことを確認した後、室温で反応容器内を減圧して水素を放出させた。
【００５６】
更に、室温、水素圧５ＭＰａでの水素吸収と室温、減圧下での水素放出とを繰り返し、水素放出の際にはその放出量（吸蔵量）を容器内の水素圧に基づいて求めた。この水素の吸収・放出を水素放出量が一定値に達するまで繰り返しところ、水素放出量は最大値３．１重量％を示した。
【００５７】
[比較例１]
アルゴンガス雰囲気に保たれたグローブボックス内で、グラファイト（和光純薬工業社製、商品名：グラファイト粉末、Ｌａ＞１００ｎｍ、Ｌｃ＞１００ｎｍ）５ｇをステンレス球（４ｍｍφ）とともにステンレス製容器（内容積８０ｍｌ）に入れた後、アルゴンガスを１．０ＭＰａまで導入し、遊星ボールミルにて４００ｒｐｍで１２時間、機械的粉砕処理を行った。なお、このときの粉砕加速度は１０Ｇであった。これにより、Ｌａが９．２ｎｍ、Ｌｃが７．５ｎｍ、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．００、ラマン半値幅ｄが３８．６ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が４７．６であり、上記式（１）で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を得た。
【００５８】
得られた含窒素黒鉛結晶粒子を水素吸蔵材料として、この水素吸蔵材料について、実施例２と同様の方法で水素吸蔵性能を調べたところ、水素放出量は最大値０．１２重量％を示した。
【００５９】
[比較例２]
窒素ガス雰囲気に保たれたグローブボックス内で、グラファイト（和光純薬工業社製、商品名：グラファイト粉末、Ｌａ＞１００ｎｍ、Ｌｃ＞１００ｎｍ）５ｇをステンレス球（４ｍｍφ）とともにステンレス製容器（内容積８０ｍｌ）に入れた後、窒素ガスを１．０ＭＰａまで導入し、横回転式ボールミルにて６０ｒｐｍで１２時間、機械的粉砕処理を行った。なお、このときの粉砕加速度は１．２Ｇであった。これにより、Ｌａが１００ｎｍ以上、Ｌｃが１００ｎｍ以上、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．００、ラマン半値幅ｄが１４．２ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が１９以上であり、上記式（１）で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を得た。
【００６０】
得られた含窒素黒鉛結晶粒子に対して、実施例１と同様にしてフッ素処理を行い、それにより得られた水素吸蔵材料について、実施例１と同様の方法で水素吸蔵性能を調べたところ、水素放出量は最大値０．０７重量％を示した。
【００６１】
[比較例３]
窒素ガス雰囲気に保たれたグローブボックス内で、グラファイト（和光純薬工業社製、商品名：グラファイト粉末、Ｌａ＞１００ｎｍ、Ｌｃ＞１００ｎｍ）５ｇをステンレス球（４ｍｍφ）とともにステンレス製容器（内容積８０ｍｌ）に入れた後、窒素ガスを１．０ＭＰａまで導入し、遊星ボールミルにて４００ｒｐｍで０．５時間、機械的粉砕処理を行った。なお、このときの粉砕加速度は１０Ｇであった。これにより、Ｌａが３８ｎｍ、Ｌｃが２３ｎｍ、炭素原子に対する窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０７、ラマン半値幅ｄが２２．４ｃｍ-1、上記Ｌａの値を用いて計算される上記式（１）の右辺の値が２８．９であり、上記式（１）で表される条件を満たす含窒素黒鉛結晶粒子を得た。
【００６２】
得られた含窒素黒鉛結晶粒子に対して、実施例１と同様にしてフッ素処理を行い、それにより得られた水素吸蔵材料について、実施例１と同様の方法で水素吸蔵性能を調べたところ、水素放出量は最大値０．８重量％を示した。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の水素吸蔵材料によれば、高純度且つ十分な量の水素を低温で吸蔵・放出することが可能となる。
【００６４】
また、本発明の水素吸蔵材料の製造方法によれば、上述のように優れた水素吸蔵・放出能を有する本発明の水素吸蔵材料を効率的に且つ確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる黒鉛構造を有する結晶粒子の一般的なモデルを示す模式図である。
【符号の説明】
１…炭素層、２・・・黒鉛構造を有する結晶粒子、Ｌａ…黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ、Ｌｃ…黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズ。
Claims (6)
- 黒鉛構造を有する結晶粒子からなる水素吸蔵材料であって、
前記結晶粒子は、炭素原子及び窒素原子を含んで形成されているものであり、
前記結晶粒子における、前記炭素原子に対する前記窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であり、且つ、
前記結晶粒子における、前記黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ、並びに、前記黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズがいずれも１０ｎｍ以下であることを特徴とする、水素吸蔵材料。 - 前記結晶粒子は、ラマンスペクトル測定で得られる波数１３５０ｃｍ-1のラマンピークの半値幅が下記式（１）：
ｄ≦（３７６／Ｌａ）＋１９．０ （１）
[式中、ｄは前記ラマンピークの半値幅（ｃｍ-1）を表し、Ｌａは黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（ｎｍ）を表す]
で表される条件を満たすものであることを特徴とする、請求項１記載の水素吸蔵材料。 - 前記結晶粒子をハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理して得られることを特徴とする、請求項１又は２記載の水素吸蔵材料。
- 窒素ガス雰囲気中において、黒鉛を２Ｇ以上の粉砕加速度で機械的に粉砕することにより、炭素原子及び窒素原子を含んで形成された黒鉛構造を有する結晶粒子であって、前記炭素原子に対する前記窒素原子の原子比（Ｎ／Ｃ）が０．０５〜０．５であり、且つ、前記黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ、並びに、前記黒鉛構造のｃ軸方向の結晶粒子サイズがいずれも１０ｎｍ以下である結晶粒子を得る粉砕工程を含むことを特徴とする、前記結晶粒子からなる水素吸蔵材料の製造方法。
- 前記結晶粒子は、ラマンスペクトル測定で得られる波数１３５０ｃｍ-1のラマンピークの半値幅が下記式（１）：
ｄ≦（３７６／Ｌａ）＋１９．０ （１）
[式中、ｄは前記ラマンピークの半値幅（ｃｍ-1）を表し、Ｌａは黒鉛構造のａ軸及びｂ軸を含む面内の結晶粒子サイズ（ｎｍ）を表す]
で表される条件を満たすものであることを特徴とする、請求項４記載の水素吸蔵材料の製造方法。 - 前記粉砕工程後に、前記結晶粒子をハロゲン及び／又は硫黄酸化物で処理する処理工程を更に含むことを特徴とする、請求項４又は５記載の水素吸蔵材料の製造方法。
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