この記事で分かること

レアアースの代替技術：水素吸蔵合金での「レアアースフリー化

　2026年上半期（1〜6月）における日本のレアアース（希土類）輸入量は、中国による対日輸出規制導入前（2024年同期）の約2割にまで大きく落ち込んでいることが判明しました。

　EV（電気自動車）の駆動用モーターや半導体製造装置・材料に不可欠なレアアースの調達急減に対し、ベトナムや米国など中国以外からの代替調達や内製化が進んでおらず、サプライチェーンへの強い懸念が広まっています。

　第三国ルートの本格化など調達先の多角化を進めてるとともに、代替技術の実用化が強く望まれています。

　前回は水素吸蔵合金でのランタンの役割に関する記事でしたが、今回は水素吸蔵合金でのランタン、レアアースフリー化に関する記事となります。

ランタン、レアアースフリー化にはどのようなものがあるのか

　水素吸蔵合金におけるランタンなどのレアアース（希土類）を削減・排除（レアアースフリー化）する動きとしては、主に以下のような代替材料やアプローチの研究・開発が進められています。

1. チタン・鉄（TiFe）系合金

• 特徴: 資源量が豊富で安価なチタン（Ti）と鉄（Fe）をベースにした合金です。
• メリット・課題: ランタンなどの高価なレアアースを一切使わず、常温付近で水素を吸蔵・放出できます。ただし、初期の「活性化（初めて水素を吸わせる工程）」に高圧・高温処理が必要だったり、不純物に敏感だったりするため、触媒添加や組成の最適化による改良が進められています。

2. マグネシウム系合金

• 特徴:地殻豊富に存在するマグネシウムを主成分とした合金（Mg2Niやマグネシウム-ニッケル系など）。
• メリット・課題: 単位重量あたりの水素吸蔵量が非常に大きく（軽量かつ大容量）、原料コストも安価です。しかし、水素を放出させるために数百度の高温度が必要になる点や、酸化されやすいという課題があり、異種元素の添加やナノ構造化による低温化・高耐久化が進められています。

3. チタン・マンガン（Ti-Mn）系（Laves相系 / AB2型）合金

• 特徴: Ａサイトにチタン、Ｂサイトにマンガンやクロム、バナジウム、ニッケルなどを配置した系です。
• メリット・課題: レアアースを使用せず、組成の調整によって水素の吸蔵・放出プラトー圧（圧力の平坦部）を制御しやすいため、産業用の水素貯蔵タンクや熱利用システム向けとして検討されています。

4. 「アルミニウムと鉄」などの新規合金探索（基礎研究）

• 特徴: 東北大学などの研究グループにより、従来は「水素と反応しにくい」とされていたアルミニウム（Al）と鉄（Fe）の組み合わせでも、高圧下で安定した水素化物（Al3FeH4など）が形成できることが発見されています。
• 意義: 完全にレアメタル・レアアースに依存しない、ありふれた汎用金属同士による新しい水素吸蔵合金の設計指針として期待されています。

　ランタンなどのレアアース高騰や供給リスクへの懸念から、こうしたTi系・Mg系・Fe系への置き換えや、ミッシュマールの活用による「使用量の削減（リダクション）」が工業化・実用化の両面で進められています。

 チタン・鉄系合金ではなぜ活性化が必要なのか

　チタン・鉄（TiFe）合金に「活性化（初期活性化）」が必要な最大の理由は、合金表面に形成される強固な酸化被膜が水素の侵入を物理的に阻むからです。

1. 表面の酸化被膜によるバリア

• チタンは酸素と非常に結びつきやすい性質（高い酸素親和性）を持っています。そのため、製造時や大気に触れた際、合金表面に微細で極めて安定した酸化チタンなどのパッシブ被膜が瞬時に形成されます。
• この酸化膜が存在すると、水素分子が金属表面に近づいても、内部へ浸透していくことができません。

2. 水素の解離・侵入の阻害

• 水素を合金内部に蓄えるためには、まず水素分子を表面で水素原子に分解（解離）し、格子間の隙間から内部へ拡散させる必要があります。
• 表面の酸化膜がこの最初の「解離・侵入プロセス」を完全にブロックしてしまうため、何もしない状態の新品のTiFe合金は、常温・低圧下で水素を吸蔵することができません。

活性化処理の役割

　初めて水素を吸わせる際には、高温・高圧の水素処理を行う、表面を機械的に粉砕して新鮮な金属面を露出させる、またはニッケルなどを表面に析出・コーティングして触媒効果を持たせるといった「活性化処理」を行います。

　これにより酸化膜の壁を克服し、一度内部に水素が入って結晶が膨張・破砕されると、その後は温和な環境でもスムーズに水素の吸蔵・放出ができるようになります。

マグネシウム系合金はなぜ水素吸蔵量が多く、放出しにくいのか

　マグネシウム（Mg）系合金が「水素吸蔵量が多い理由」と「水素を放出しにくい理由」は、どちらもマグネシウムという金属が持つ固有の化学的・物理的な性質に由来しています。

1. なぜ水素吸蔵量が多いのか（大容量の理由）

• 非常に軽い金属であること: マグネシウムは実用金属の中でトップクラスに軽い元素です。重量あたりの原子数が多いため、同じ重さの他の金属と比べてより多くの水素を仕込むことができます。
• 効率的な化学結合: マグネシウム1原子に対して2個の水素原子が結びつき、水素化マグネシウム（MgH2）を形成します。分子量が小さく軽いにもかかわらず多くの水素を取り込めるため、理論上は合金全体の約7.6重量パーセントという非常に高い水素貯蔵密度を誇ります。これは代表的なレアアース系合金（約1.5〜2%）などと比べて圧倒的な大容量です。

2. なぜ水素を放出しにくいのか（高い熱安定性の理由）

• 頑丈な化学結合: マグネシウムと水素の結合が非常に強く、熱力学的に極めて安定しています。そのため、一度取り込んだ水素を外へ引っ張り出す（切り離す）ために大きなエネルギーが必要です。
• 高温環境の必要性: 純粋なマグネシウム系合金から水素をスムーズに放出させるためには、一般的に300°Cから400°C程度の高い温度を加えなければなりません。
• 拡散の障壁: 放出反応が進むにつれて合金表面に純粋なマグネシウムの層が形成されますが、これが内部に残っている水素の移動（拡散）を妨げるブレーキのようになってしまいます。

実用化に向けたアプローチ

　この「水素を放出しにくい（高温が必要）」という最大の弱点を克服するため、ニッケルや銅などの遷移金属を混ぜ合わせた合金化（Mg2Ni合金など）や、粒子をナノレベルに微細化・触媒を添加する研究が進められており、より低い温度での水素の出し入れを可能にする改良が行われています。