JP7115007B2 - テトラヒドロほう酸塩の製造方法及びテトラヒドロほう酸塩 - Google Patents
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Description
MxByHz (A)
NsBtHu (B)
式(A)中、MはLi、Na及びKからなる群より選択される少なくとも一種であり、xは0.05以上1.0未満であり、yは0.6以上1.0未満であり、zは4.0である。式(B)中、NはCa及びMgからなる群より選択される少なくとも一種であり、sは0.05以上1.0未満であり、tは1.2以上2.0未満であり、uは8.0である。
本実施形態に係るテトラヒドロほう酸塩の製造方法は、ほう酸塩を水素プラズマにさらすプラズマ処理工程を備えるものである。
プラズマ処理工程では極めて活性の高い水素ラジカル(Hラジカル)や水素イオンによりほう酸塩を処理する。この際、ほう酸塩が有する酸素原子の結合部が切断されて酸素原子が除去され、また酸素原子が結合していた電子対に水素原子が結合することで、ほう酸塩の水素化が行われる。例えば、ほう酸塩としてメタほう酸ナトリウムを用いた場合、本工程にて以下の反応(1)が生じると考えられる。
NaBO2+4H2→NaBH4+2H2O (1)
本実施形態に係る製造方法は、プラズマ処理工程前に、ほう酸塩を加熱する予備加熱工程をさらに備えていてもよい。本工程により、ほう酸塩水和物が結晶水として含んでいる水を予め除去することができる。そのため、プラズマ処理工程において無用の水分が存在せず、プラズマ処理効率を向上でき、テトラヒドロほう酸塩を製造する速度を速めることができる。
本実施形態に係る製造方法は、プラズマ処理工程前に(かつ予備加熱工程を設ける場合は当該予備加熱工程前に)、テトラヒドロほう酸塩と水とを反応させてほう酸塩を得る工程をさらに備えていてもよい。テトラヒドロほう酸塩を水素キャリアとして用い、水素の需要場にてテトラヒドロほう酸塩に水を加えることにより水素を取出して使用した後、その化学反応において生じた残渣であるほう酸塩を水素供給場に戻して再度水素化することで、テトラヒドロほう酸塩を再生することができる。脱水素と再水素化を繰り返し生じさせて水素を輸送貯蔵できるので、安価に水素を輸送貯蔵することが可能になる。例えば、テトラヒドロほう酸塩としてテトラヒドロほう酸ナトリウムを用いた場合、本工程にて以下の反応(2)が生じると考えられる。
NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2 (2)
(ほう酸塩)
ほう酸塩としては、例えばメタほう酸塩、四ほう酸塩、五ほう酸塩等のほう酸塩が挙げられる。メタほう酸塩としては、例えばNaBO2、KBO2、LiBO2、Ca(BO2)2、Mg(BO2)2等が挙げられる。四ほう酸塩としては、例えばNa2B4O7、Na2O・2BO3、K2O・B2O3、Li2B4O7、Mg3B4O9等が挙げられる。五ほう酸塩としては、例えばNaB5O8、Na2O・5B2O3、KB5O8、K2O・5B2O9、LiB5O8等が挙げられる。また、天然のほう酸塩鉱物であるNa2B4O7・10H2O、Na2B4O7・4H2O、Ca2B6O11・5H2O、CaNaB5O9・6H2O、Mg7Cl2B17O30等を用いることもできる。入手容易性、入手コスト、化学的安定性、水素脱着容易性、水素貯蔵密度等の観点からは、ほう酸塩としてメタほう酸ナトリウムを用いてもよい。
テトラヒドロほう酸塩としては、上記に例示したほう酸塩に対応する水素化物が挙げられる。例えば、ほう酸塩としてメタほう酸塩を用いた場合、NaBH4、KBH4、LiBH4、Ca(BH4)2、Mg(BH4)2等が挙げられる。
MxByHz (A)
NsBtHu (B)
式(A)中、MはLi、Na及びKからなる群より選択される少なくとも一種であり、xは0.05以上1.0未満であり0.5以上1.0未満であってもよく、yは0.6以上1.0未満であり、zは4.0である。式(B)中、NはCa及びMgからなる群より選択される少なくとも一種であり、sは0.05以上1.0未満であり0.5以上1.0未満であってもよく、tは1.2以上2.0未満であり、uは8.0である。
図1は、テトラヒドロほう酸塩の製造装置の一例を示す模式図である。図1に示す装置100は、雰囲気および圧力調整可能に設計された反応容器10、反応容器10内に設けられほう酸塩Sを載置可能とした試料ホルダ11、反応容器10外に設けられ試料ホルダ11を加熱するための赤外線加熱装置12、赤外線加熱装置12から赤外線を試料ホルダ11まで伝導させるためのガラス伝導ロッド13、試料ホルダ11内のほう酸塩Sを流動させるための振動発生器14、及び反応容器10に配管15を介して取り付けられ反応容器10内の雰囲気を排気することができる真空ポンプ16を備えるほう酸塩処理機構と、マイクロ波発振器20、アイソレーター21、パワーモニター22、チューナー23、及び矩形同軸導波路変換器24を備えるマイクロ波発生機構と、炭化水素ガスボンベ30、水素ガスボンベ31、及び水素混合ガスボンベ32を備える原料ガス供給機構と、を備える。
図1に示す装置を用いて、テトラヒドロほう酸塩の製造を行った。ほう酸塩としてNaBO2・4H2O(メタほう酸ナトリウム四水和物:キシダ化学株式会社製、含量98質量%)を準備した。これをボールミルで粉砕処理しながら160℃で15分間加熱して結晶水を除去し、粉状のNaBO2(無水メタほう酸ナトリウム)を得た。粉状のNaBO2の平均粒子径は100μmであった。平均粒子径はデジタルマイクロスコープにより測定した。
フーリエ変換赤外分光光度計FT/IR-6300(日本分光株式会社製、製品名)を用いて、試料の赤外吸収スペクトルを測定した。測定の結果、無水メタほう酸ナトリウムに由来するB-O結合のピークが減少し、テトラヒドロほう酸ナトリウムに由来するB-H結合のピークが増加した。これにより、無水メタほう酸ナトリウムに対するプラズマ処理により、テトラヒドロほう酸ナトリウムが得られることを確認した。
Claims (10)
- ほう酸塩を水素プラズマにさらすプラズマ処理工程を備える、テトラヒドロほう酸塩の製造方法。
- 前記水素プラズマが、水素ガス及び炭化水素ガスの少なくとも一種を含む原料ガスを用いて生成される、請求項1に記載の製造方法。
- 前記水素プラズマが、マイクロ波プラズマ又はRFプラズマである、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記プラズマ処理工程前に、前記ほう酸塩を加熱する予備加熱工程をさらに備える、請求項1~3のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記プラズマ処理工程を前記ほう酸塩を加熱しながら実施する、請求項1~4のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記プラズマ処理工程を前記ほう酸塩を流動させながら実施する、請求項1~5のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記ほう酸塩の平均粒子径が500μm以下である、請求項1~6のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記ほう酸塩がメタほう酸ナトリウムである、請求項1~7のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記プラズマ処理工程前に、テトラヒドロほう酸塩と水とを反応させてほう酸塩を得るほう酸塩調製工程をさらに備える、請求項1~8のいずれか一項に記載の製造方法。
- 下記一般式(A)又は(B)で表される組成を有するテトラヒドロほう酸塩。
MxByHz (A)
NsBtHu (B)
[式(A)中、MはLi、Na及びKからなる群より選択される少なくとも一種であり、xは0.05以上1.0未満であり、yは0.6以上1.0未満であり、zは4.0である。式(B)中、NはCa及びMgからなる群より選択される少なくとも一種であり、sは0.05以上1.0未満であり、tは1.2以上2.0未満であり、uは8.0である。]
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