Development of hydride super ionic conductors

• Project Area: Synthesis of Mixed Anion Compounds toward Novel Functionalities
• Project/Area Number: 17H05492
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Institute for Molecular Science
• Principal Investigator: 小林 玄器 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 准教授 (30609847)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2018: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2017: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: ヒドリドイオン導電体 / 固体電解質 / 酸水素化物 / 固体イオニクス / エネルギー貯蔵・変換 / 電気化学デバイス

Outline of Annual Research Achievements

酸水素化物を対象に物質探索を行い、新規ヒドリドイオン導電体Ba2ScHO3を発見した。X線回折と中性子回折による結晶構造解析から、Ba2SHO3は[ScO4]層（ペロブスカイト層）と[Ba2HO]層（岩塩層）が交互に積層したK2NiF4型構造をとることが明らかになった。[Ba2HO]層中のH-とO2-は不規則配列し、全ての岩塩層内のアニオン位置は等価となる。一方で、これまでに報告したK2NiF4型構造のLi系酸水素化物は、ヒドリドがペロブスカイト層内を優先的に占有する。この構成元素の組み合わせによって変化するアニオン配列は、ポーリングの静電電荷則（第二規則）で説明できることができ、価数変化の無い非遷移金属系の酸水素化物においては、1価のH-がより価数の低いカチオンの近傍を優先的に占有する傾向があることが明らかになった。この結果は、カチオンの組み合わせを調整することで酸水素化物中のH/O配列を制御可能であることを示しており、今後のH-導電性酸水素化物の物質設計に役立つ指針となるであろう。また、新学術領域内の共同研究から、岩塩層内のH-拡散の活性化エネルギーがO2-の拡散よりも低いこと、過剰のH-を格子間位置に導入されることでペロブスカイト層内での拡散よりも高導電化が期待できることが理論計算により示唆された。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Ba2ScHO3: H- Conductive Layered Oxyhydride with H- Site Selectivity (2019)
  • Author(s): Takeiri Fumitaka、Watanabe Akihiro、Kuwabara Akihide、Nawaz Haq、Ayu Nur Ika Puji、Yonemura Masao、Kanno Ryoji、Kobayashi Genki*
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 58 Issue: 7 Pages: 4431-4436
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.8b03593
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ambient pressure synthesis of La2LiHO3 as a solid electrolyte for a hydrogen electrochemical cell (2018)
  • Author(s): Matsui Naoki、Kobayashi Genki*、Suzuki Kota、Watanabe Akihiro、Kubota Akiko、Iwasaki Yuki、Yonemura Masao、Hirayama Masaaki、Kanno Ryoji
  • Journal Title: Journal of the American Ceramic Society Volume: 102 Issue: 6 Pages: 3228-3235
  • DOI: 10.1111/jace.16214
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis, crystal structure, and ionic conductivity of hydride ion-conducting Ln2LiHO3 (Ln = La, Pr, Nd) oxyhydrides (2018)
  • Author(s): Iwasaki Yuki、Matsui Naoki、Suzuki Kota、Hinuma Yoyo、Yonemura Masao、Kobayashi Genki、Hirayama Masaaki、Tanaka Isao、Kanno Ryoji*
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 6 Issue: 46 Pages: 23457-23463
  • DOI: 10.1039/c8ta06880a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ヒドリドイオン導電体の開発と新型電池への応用可能性 (2017)
  • Author(s): 小林玄器
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 86(12) Pages: 1084-1113
  • NAID: 130007715510
• [Journal Article] ヒドリドイオン導電性酸水素化物 (2017)
  • Author(s): 小林玄器
  • Journal Title: セラミックス Volume: 52(12) Pages: 829-832
• [Presentation] ヒドリドイオン導電性材料の物質開拓 (2019)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 電気化学会第86回大会
  • Invited
• [Presentation] アニオン秩序無秩序転移を示す蛍石型LnHOのヒドリド導電 (2019)
  • Author(s): 生方 宏樹, 山下 大貴, Broux Thibault, 竹入 史隆, 小林 玄器, 陰山 洋
  • Organizer: 電気化学会第86回大会
• [Presentation] Synthesis of a novel H- conductive oxyhydride system Ba2Y1-xNaxH1+2xO3-2x (2019)
  • Author(s): ナワズ ハック, 竹入 史隆, 米村 雅雄, 小林 玄器
  • Organizer: 電気化学会第86回大会
• [Presentation] Ba2LiH3OへのNa,Kドープによる結晶構造およびH-導電特性の変化 (2019)
  • Author(s): 岡本 啓, 竹入 史隆, 米村 雅雄, 小林 玄器
  • Organizer: 電気化学会第86回大会
• [Presentation] H- 導電性LnSrLiH2O2 (Ln = La, Pr, Nd, Sm, Gd)の合成と構造、電気化学特性 (2018)
  • Author(s): 松井直喜, 岩崎佑紀, 小林玄器, Haq Nawaz, 今井弓子, 鈴木耕太, 米村雅雄, 平山雅章, 菅野了次
  • Organizer: 第44回固体イオニクス討論会
• [Presentation] 新規層状酸水素化物Ba2ScHO3の合成とヒドリド導電特性 (2018)
  • Author(s): 竹入 史隆, 渡邉 明尋, Haq Nawaz, 米村 雅雄, Nur Ika Puji Ayu, 桑原 彰秀, 菅野 了次, 小林 玄器
  • Organizer: 第44回固体イオニクス討論会
• [Presentation] アニオン配列に着目したヒドリド導電体の開発 (2018)
  • Author(s): 竹入 史隆, 渡邉 明尋, Haq Nawaz, 米村 雅雄, 桑原 彰秀, 菅野 了次, 小林 玄器
  • Organizer: 第12回物性科学領域横断研究会
• [Presentation] K2NiF4-type Oxyhydrides with Fast Hydride Conduction (2018)
  • Author(s): Fumitaka Takeiri, Akihiro Watanabe, Haq Nawaz, Masao Yonemura, Ryoji Kanno, Genki Kobayashi
  • Organizer: 19th International Conference on Solid State Proton COnduction (SSPC-19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fast Hydride Conduction in Layered Scandium Oxyhydrides (2018)
  • Author(s): Fumitaka Takeiri, Akihiro Watanabe, Haq Nawaz, Masao Yonemura, Ryoji Kanno, Genki Kobayashi
  • Organizer: 5th Solid-State Chemistry & Ionics (SCI) workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アニオン欠陥の無秩序化に伴うSr2LiH3OのH-超イオン導電性 (2018)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 第28回日本MRS年次大会
  • Invited
• [Presentation] High H- Conductivity in Novel Oxyhydrides Ba2-xNaxScH1+xO3-x (2018)
  • Author(s): Genki Kobayashi
  • Organizer: The 8th TOYOTA RIKEN International Workshop on Organic Semiconductors, Conductors, and Electronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 層状ペロブスカイト型酸水素化物におけるアニオン配列とヒドリドイオン導電特性 (2018)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 日本金属学会2018年秋季講演大会
  • Invited
• [Presentation] アニオン配列に着目した新奇ヒドリド導電体の探索 (2018)
  • Author(s): 竹入 史隆, 渡邉 明尋, Haq Nawaz, 米村 雅雄, 菅野 了次, 小林 玄器
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第31回秋季シンポジウム
• [Presentation] ヒドリドイオン導電体の物質開発 －現状と今後の展望－ (2018)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 「固体化学の新しい指針を探る研究会」第85回定例研究会
  • Invited
• [Presentation] Hydride Ion Conduction in Oxyhydrides (2018)
  • Author(s): Genki Kobayashi
  • Organizer: The 1st DGIST Workshop on Energy Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒドリドイオン導電体の物質設計 (2018)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 第3回元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞/大型研究施設連携シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Hydride Ion Conduction in Oxyhydrides (2017)
  • Author(s): Genki Kobayashi
  • Organizer: 3rd Solid-State Chemistry & Ionics (SCI) workshop: Bulk diffusion and surface of oxides
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒドリドイオン導電性酸水素化物の開発 (2017)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 平成29年度 物質科学研究会
  • Invited
• [Presentation] ヒドリドイオン導電体の開発と蓄電・発電デバイスへの応用可能性 (2017)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 第7回 CSJ化学フェスタ2017
  • Invited
• [Presentation] ヒドリドイオン導電性酸水素化物の開発 (2017)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 第2回エネルギー研究教育機構セミナー，第29回稲盛フロンティア研究セミナー
  • Invited
• [Presentation] H-導電性酸水素化物の開発と電気化学デバイスへの応用可能性 (2017)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 第13回 固体イオニクスセミナー
  • Invited
• [Presentation] Synthesis and H- Conductivity of Ba-Li oxyhydride (2017)
  • Author(s): Genki Kobayashi
  • Organizer: IUMRS-ICAM 2017 15th International Conference of Advanced Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Study on Hydride Ion Conductive Oxyhydrides (2017)
  • Author(s): Genki Kobayashi
  • Organizer: 2017 Hydrogen Metal Systems Gordon Research Conference, Making the Hydrogen Economy Work - New Developments and Recent Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Study on H- Conductors for Novel Energy Devices (2017)
  • Author(s): Genki Kobayashi
  • Organizer: Research Seminar for Energy Materials in Helmholtz Institute Ulm (HIU)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Relationship between anion arrangement and H- conductivity in La-Sr-Li oxyhydride system (2017)
  • Author(s): Genki Kobayashi
  • Organizer: 21th International Conference on Solid State Ionic
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Study on H- Conductive Oxyhydrides for Next-Generation Battery Systems (2017)
  • Author(s): Genki Kobayashi
  • Organizer: 21th International Conference on Solid State Ionics (ISSI Young Scientist Aword Finalists)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒドリドイオン導電性酸水素化物の開発 (2017)
  • Author(s): 小林玄器
  • Organizer: 第2回 固体化学フォーラム
  • Invited
• [Presentation] Hydride Ion Conduction Oxyhydrides (2017)
  • Author(s): Genki Kobayashi
  • Organizer: 8th International Conference on Electroceramics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Na-Ba-Sc系酸水素化物の合成とH-導電特性 (2017)
  • Author(s): Haq Nawaz、渡邉明尋、今井弓子、米村雅雄、菅野了次、小林玄器
  • Organizer: 電気化学会第85回大会
• [Presentation] H-導電体Ln2LiHO3の高圧合成とイオン導電特性 (2017)
  • Author(s): 岩崎佑紀、松井直喜、小林玄器、鈴木耕太、平山雅章、米村雅雄、菅野了次
  • Organizer: 第43回固体イオニクス討論会
• [Presentation] K2NiF4型構造を有する新規酸化物イオン導電体La2Li1-xMgxO3.5+1/2xの高圧合成とイオン導電特性 (2017)
  • Author(s): 松井直喜、Iqbal Muhammad、小林玄器、米村雅雄、平山雅章、鈴木耕太、菅野了次
  • Organizer: 第43回固体イオニクス討論会
• [Presentation] H-導電体Ae2LiH3O(Ae = Sr, Ba)の相転移挙動とイオン導電特性 (2017)
  • Author(s): 小林玄器、渡邉明尋、Dominic Bresser、Sandrine Lyonnard、Bernhard Frick、Bin Miao、柴田直哉、米村雅雄、菅野了次
  • Organizer: 第43回固体イオニクス討論会
• [Presentation] H+ conduction in La2LiO3.5 synthesized by anion exhange reaction (2017)
  • Author(s): Naoki Matsui, Genki Kobayashi, Akihiro Watanabe, Kota Suzuki, Yuki Iwasaki, Iqbal Muhammad, Masaaki Hirayama, Masao Yonemura, Ryoji Kanno
  • Organizer: The 6th Toyota RIKEN International Workshop (New Trends in Solid State Chemistry: from Oxides to Mixed Anion Compounds)
• [Presentation] Hydride Ion Conduction in Oxyhydrides (2017)
  • Author(s): Genki Kobayashi, Akihiro Watanabe, Naoki Matsui, Yuki Iwasaki, Yumiko Imai, Akiko Kubota, Masao Yonemura, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama, Ryoji Kanno
  • Organizer: The 6th Toyota RIKEN International Workshop (New Trends in Solid State Chemistry: from Oxides to Mixed Anion Compounds)
• [Presentation] K2NiF4型構造を有する希土類酸水素化物の高圧合成 (2017)
  • Author(s): 岩崎佑紀、松井直喜、小林玄器、柿木園拓也、鈴木耕太、平山雅章、米村雅雄、菅野了次
  • Organizer: 第58回高圧討論会
• [Presentation] Ba-Li系酸水素化物の合成とH-導電特性 (2017)
  • Author(s): 小林玄器、渡邉明尋、今井弓子、Dominic Bresser、Sandrine Lyonnard、Bernhard Frick、米村雅雄、鈴木耕太、平山雅章、菅野了次
  • Organizer: 第58回高圧討論会
• [Presentation] K2NiF4型構造を有する希土類酸水素化物の高圧合成とイオン導電性 (2017)
  • Author(s): 岩崎佑紀、松井直喜、小林玄器、柿木園拓也、鈴木耕太、平山雅章、米村雅雄、菅野了次
  • Organizer: 第13回 固体イオニクスセミナー
• [Presentation] K2NiF4型構造を有する希土類酸水素化物の高圧合成とイオン導電性 (2017)
  • Author(s): 岩崎佑紀、松井直喜、小林玄器、柿木園拓也、鈴木耕太、平山雅章、米村雅雄、菅野了次
  • Organizer: 2017年電気化学会秋季大会
• [Presentation] K2NiF4型構造を有する希土類酸水素化物の高圧合成と結晶構造、イオン導電性 (2017)
  • Author(s): 岩崎佑紀、松井直喜、小林玄器、柿木園拓也、鈴木耕太、平山雅章、米村雅雄、菅野了次
  • Organizer: 日本金属学会2017年秋季講演大会
• [Presentation] ヒドリドイオン導電体La2LiHO3の常圧合成 (2017)
  • Author(s): 松井直喜、小林玄器、Iqbal Muhammad, 岩崎佑紀、柿木園拓也、鈴木耕太、平山雅章、米村雅雄、菅野了次
  • Organizer: 日本金属学会2017年秋季講演大会
• [Presentation] Synthesis of new H- conductor Ba2LiH3O (2017)
  • Author(s): Akihiro Watanabe, Genki Kobayashi, Yumiko Imai, Masao Yonemura, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama, Ryoji Kanno
  • Organizer: 21th International Conference on Solid State Ionic
  • Int'l Joint Research
• [Book] Synthesis and Structures of Novel Solid-State Electrolytes (2018)
  • Author(s): Ryoji Kanno, Genki Kobayashi, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama, Daisuke Mori, Kazuhisa Tamura
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789811076176
• [Remarks] 分子科学研究所小林グループのホームページ
  • URL: https://www.ims.ac.jp/organization/kobayashi_g/publications.html
• [Remarks] 分子科学研究所 小林グループ ホームページ
  • URL: https://www.ims.ac.jp/organization/kobayashi_g/publications.html