大阪府立大学

水素の高速核スピン変換のメカニズムを実験的に立証

更新日:2015年7月30日

水素の高速核スピン変換のメカニズムを実験的に立証
―効率的な水素利用に向けた量子力学的アプローチ―

研究成果のポイント

  • 多孔性配位高分子(解説1)に吸蔵された水素分子の配列変化とそれに伴う核スピン状態の変化を世界で初めて観測しました。
  • 細孔内の電場勾配(解説2)を実験から求め、電場勾配が核スピン状態の変換を促進していることを示しました。
  • 多孔性物質の細孔内部の電場を利用した新機能の開拓が期待されます。

国立大学法人筑波大学数理物質系 西堀英治教授と国立研究開発法人産業技術総合研究所再生可能エネルギー研究センター 小曽根崇産総研特別研究員、国立大学法人京都大学物質-細胞統合システム拠点 堀彰宏研究員、国立大学法人九州大学大学院理学研究院 大場正昭教授、国立大学法人東北大学多元物質科学研究所 高田昌樹教授らの研究グループは、国立研究開発法人理化学研究所放射光科学総合研究センター(以下:理研RSC)、公立大学法人大阪府立大学大学院理学系研究科 久保田佳基教授、島根大学、スペインの研究グループと共同で、多孔性配位高分子の中に水素分子を吸着させ温度を制御すると、水素分子の細孔内での配列が変化することを、大型放射光施設SPring-8の理研物質科学ビームラインBL44B2を用いて観測しました。また、水素分子はオルトとパラの二つの核スピン状態(解説3)を取り通常は両者が混在した状態で存在しますが、細孔内での水素分子の配列変化に伴い、ほとんどのオルト水素が数百秒以下でパラ水素に転換されることを、ガス吸着下ラマン散乱その場観測(解説4)により明らかにしました。さらに、この高速なオルト―パラ転換の機構を解明するため、X線回折で求めた電子密度、静電ポテンシャル分布から細孔内の電場勾配を求めた結果、細孔内には場所によって~1022V/m2の電場の勾配が存在し、配列変化に伴い、電場勾配を受けた水素分子の核スピンが高速に転換することがわかりました。

本成果は、近年、実験・理論研究が盛んに行われている電場勾配によるオルトーパラ転換を分子配列、核スピン状態、電場勾配の全てを観測することに成功したものです。多孔性配位高分子の真空の空間における電場勾配の違いがオルトーパラ転換という一般に触媒が必要な反応を促進することを示し、空間の有する新機能を構造観測から開拓しました。この電場勾配を利用した細孔内での新現象、新機能の探索が今後進められていくことが期待されます。

本成果は2015年7月29日付で、英国王立協会の発行するオープンアクセス誌「Royal Society Open Science」で公開される予定です。

本研究は、公益信託ENEOS水素基金および科学研究費補助金の補助を受けて実施されました。

(詳細情報)水素の高速核スピン変換のメカニズムを実験的に立証(309KB)

用語解説

解説1 多孔性配位高分子

有機化合物が金属イオンに配位結合した化合物を、金属錯体と呼ぶ。金属イオンと多様な有機化合物との組み合わせは無数にあり、さまざまな構造を作ることが可能。このうち、多くの微細な孔を形成した構造を持つ物質は多孔性金属錯体と呼ばれ、空孔にさまざまな分子を吸着することに加えて、分離、貯蔵、反応などの機能を示す。

解説2 電場勾配

電場に沿う単位長さあたりの勾配。

解説3 オルト水素とパラ水素

水素分子は、2つの水素原子核の核スピンの配向により、互いのスピンの向きが平行のオルト水素とスピンの向きが反平行のパラ水素の二種類の異性体が存在する。この2つの異性体は内部エネルギーが異なり、パラ水素側が低い。この二つの異性体間のエネルギー差は小さく、燃料として使用した場合の性能はほぼ変わらない。

解説4 ガス吸着下ラマン散乱その場観測

試料にレイザー光を照射すると、分子の振動・回転状態を反映して、入射光と異なった波長をもつ光(ラマン散乱光)が観測される。ラマン散乱光を調べることにより、分子の振動・回転状態を調べることができる。本研究で用いたそ装置は、理研RSC量子秩序グループ(グループリーダー:高田昌樹)、空間秩序チーム(チームリーダー:北川進)で開発したもので、試料部をクライオによる温度制御下ガス雰囲気にし、ラマン散乱を観測し、試料に吸着した分子の振動・回転状態を調べることができる。

お問い合わせ

大阪府立大学 大学院理学系研究科

久保田 佳基 教授

Tel 072-254-9193 Eメール kubotay[at]p.s.osakafu-u.ac.jp[at]の部分を@と変えてください。