物質材料機構：世界最高性能の磁気冷凍材料を発見：水素液化の高効率化：
NIMS:the highest performance magnetic refrigeration material: High efficiency of hydrogen liquefaction：
材料和材料机理：发现世界上性能最高的磁性制冷材料：氢液化的高效率
～水素社会実現に不可欠な水素液化の高効率化に前進～
ＮＩＭＳ：物質材料機構
機械学習を用いて、水素液化に用いる世界最高性能の磁気冷凍材料を発見しました。
これにより、｢水素社会実現への大きな壁となっていた液化水素製造コストの削減｣が、期待されます。
水素の問題点：
- 水素は、二酸化炭素を出さないクリーン燃料として、期待されています。
- 一方、水素はガスのままではかさばるため、液化して体積を小さくする必要があります。
- しかし、水素の液化温度は、－２５３度と大変低いため、従来の気体冷凍装置では損失が大きいのです。
また、液化効率が２５パーセントと低いことが、液化水素の価格が高い一因となっていました。
今回の方法：
新たな水素液化の方法として期待されているのが、５０パーセント以上の効率が期待されている磁気冷凍です。
磁気冷凍方式：
磁場中に置かれた磁性体が、磁場を取り除いた際に、エントロピーが増大します。
｢その変化分のエネルギーが吸収されることにより、温度が下がる原理｣を用いた冷凍方法です。
このことから、｢水素液化温度付近で、エントロピー変化が大きい磁気冷凍材料を発見すること｣が求められていました。
本研究グループ：
機械学習を用いて、｢2ホウ化ホルミウム（ＨｏＢ２）が､水素液化温度付近で世界最高性能の磁気冷凍材料として機能すること｣を発見。
- 高性能/磁気冷凍材料を探索するため、
- エントロピー変化が既知である、１６００個の物質データを論文から収集、
- 組成とエントロピー変化の関係を機械に学習させました。
その学習を基に、
- エントロピー変化が、未知の約８００個の強磁性体について
- エントロピー変化を、機械に予想したところ、
- 比較的高い値を示す候補物質が、３４個見つかりました。
その中から２元素で構成された材料に絞り込み、最も高い値が予想された物質を実際に合成し、評価しました。
その結果：
ＨｏＢ２が、水素液化温度/－２５３度（２０ケルビン（Ｋ）で、非常に大きなエントロピー変化ΔＳ＝０．３５（Ｊ／ｃｍ３Ｋ）を、示すことが判明しました。
この材料を磁気冷凍装置に組み込めば、水素液化温度付近で、高い冷凍能力を示すことが期待されます。
今後の取組み：
粒状または線状への加工や耐水素コーティングなど、磁気冷凍装置で活用するための研究を進めます。
効率のよい水素液化装置開発を通じて、水素社会の発展への貢献を目指します。
本研究成果：
２０２０年５月１２日（英国時間）、「ＮＰＧ Ａｓｉａ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」にオンライン掲載されます。
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20200512/index.html
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20200512/pdf/20200512.pdf
Machine-learning-guided discovery of the gigantic magnetocaloric effect in HoB2 near the hydrogen liquefaction temperature
Pedro Baptista de Castro, Kensei Terashima, […]Yoshihiko Takano
Published: 12 May 2020
NPG Asia Materials volume 12,
Article number: 35 (2020) Cite this article
Abstract
Magnetic refrigeration exploits the magnetocaloric effect,
which is the entropy change upon the application and removal of magnetic fields in materials, providing an alternate path for refrigeration other than conventional gas cycles.
While intensive research
has uncovered a vast number of magnetic materials that exhibit a large magnetocaloric effect, these properties remain unknown for a substantial number of compounds.
To explore new functional materials in this unknown space, machine learning is used as a guide for selecting materials
that could exhibit a large magnetocaloric effect.
By this approach,
- HoB2 is singled out and synthesized, and
- its magnetocaloric properties are evaluated,
leading to the experimental discovery of a gigantic magnetic entropy change of 40.1 J kg−1 K−1 (0.35 J cm−3 K−1) for a field change of 5 T in the vicinity of a ferromagnetic second-order phase transition with a Curie temperature of 15 K.
This is the highest value reported so far,
to the best of our knowledge, near the hydrogen liquefaction temperature;
thus, HoB2 is a highly suitable material for hydrogen liquefaction and low-temperature magnetic cooling applications.
https://www.nature.com/articles/s41427-020-0214-y
高効率で水素液化 物材機構、最高性能の磁気冷凍材を発見