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2017 Fiscal Year Annual Research Report

直線自由エネルギー関係に基づく新規プロトン伝導液体の探索と伝導機構の解明

Research Project

Project/Area Number 17J02361
Research InstitutionNiigata University

Principal Investigator

渡辺 日香里  新潟大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2017-04-26 – 2020-03-31
Keywords擬プロトン性イオン液体 / プロトン伝導機構 / 超Arrheniusプロトン伝導
Outline of Annual Research Achievements

プロトン性イオン液体はイオンのみからなり解離可能な水素を持つイオン液体であり、中低温無加湿燃料電池への応用が期待されている。最近イオン伝導性を示すにも関わらず、ほぼ電気的中性分子しか存在しない液体を見出し、これらを擬プロトン性イオン液体pPILと呼び、pPILに特徴的な静的酸解離を伴わないプロトン伝導を超Arrheniusプロトン伝導と呼んでいる。超Arrheniusプロトン伝導はstokes則といった従来の古典イオン伝導論では説明できず、新たな概念の構築が必須である。本研究ではPIL [HB+][A-]の自己解離反応HB+ + A- → B + HA のプロトン交換反応に着目し、直線自由エネルギー関係LFERに基づく超Arrheniusプロトン伝導の概念一般化を目指す。具体的に①プロトン反応に関するLFERおよび②プロトンキャリアの並進・回転運動に関するLFERを明らかにし、新規プロトン伝導液体の探索を行う。
今年度、N-メチルイミダゾール-酢酸系pPILについて、アルキル鎖を変化させた系および酸の強さを変化させた系を系統的に調査し、これらの系の①および②の関係性を明らかにした。さらに、Raman分光によるスペシエーションとX線散乱実験とMDシミュレーションによる液体構造解析から陰イオンの共役酸の酸性が強くなるとイオンの一部として伝導するvehicle機構によりイオン伝導が起こることを明らかにした。また、磁場勾配NMRによる自己拡散係数測定を不均一な液体構造を持ち得るpPILに適用し、極性ドメイン内で超Arrheniusプロトン伝導することを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

アルキル鎖を変化させた場合のLFERおよび酸の強さを変化させた場合のLFERの関係を明らかにすることができ、新規プロトン伝導液体の探索の道筋を立てることができた。また、新たに同位体置換Raman分光法を開発し、N-メチルイミダゾール-酢酸系pPILに適応し、液体中にイオン種が存在せず、擬プロトン性イオン液体であることを明快に示すことに成功した。

Strategy for Future Research Activity

当初の予定通り、N-エチルイミダゾールと種々の酸との等量混合液体に焦点を絞り、①および②を明らかにする。

  • Research Products

    (28 results)

All 2018 2017

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Density, Viscosity, Ionic Conductivity, and Self-Diffusion Coefficient of Organic Liquid Electrolytes: Part I. Propylene Carbonate + Li, Na, Mg and Ca Cation Salts2018

    • Author(s)
      Seki Shiro、Hayamizu Kikuko、Tsuzuki Seiji、Takahashi Keitaro、Ishino Yuki、Kato Masaki、Nozaki Erika、Watanabe Hikari、Umebayashi Yasuhiro
    • Journal Title

      Journal of The Electrochemical Society

      Volume: 165 Pages: A542~A546

    • DOI

      10.1149/2.0081803jes

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Local Structure of Li+ in Concentrated Ethylene Carbonate Solutions Studied by Low-Frequency Raman Scattering and Neutron Diffraction with 6Li/7Li Isotopic Substitution Methods2017

    • Author(s)
      Maeda Shunya、Kameda Yasuo、Amo Yuko、Usuki Takeshi、Ikeda Kazutaka、Otomo Toshiya、Yanagisawa Maho、Seki Shiro、Arai Nana、Watanabe Hikari、Umebayashi Yasuhiro
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 121 Pages: 10979~10987

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.7b10933

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Solvation state of sodium tetraphenylborate in 3-methylpyridine and its aqueous solutions2017

    • Author(s)
      Sadakane Koichiro、Fujii Kenta、Tsuzuki Seiji、Watanabe Hikari、Umebayashi Yasuhiro
    • Journal Title

      Journal of Molecular Liquids

      Volume: 248 Pages: 53~59

    • DOI

      doi.org/10.1016/j.molliq.2017.10.006

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hydrogen bonding in protic and aprotic amide mixtures: Low-frequency Raman spectroscopy, small-angle neutron scattering, and molecular dynamics simulations2017

    • Author(s)
      Fujii Kenta、Yoshitake Mari、Watanabe Hikari、Takamuku Toshiyuki、Umebayashi Yasuhiro
    • Journal Title

      Journal of Molecular Liquids

      Volume: 238 Pages: 518~522

    • DOI

      doi.org/10.1016/j.molliq.2017.05.017

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] イミダゾール-酢酸系不定比擬プロトン性イオン液体のイオン伝導性2018

    • Author(s)
      渡辺日香里, 荒井奈々, 野崎永莉香, 梅林泰宏
    • Organizer
      電気化学会第85回大会
  • [Presentation] 種々のリチウム塩からなる溶媒和イオン液体中のLi+の局所構造2018

    • Author(s)
      荒井 奈々, 渡辺日香里, 野崎 永莉香, 関志朗, 都築誠二, 上野 和英, 獨古 薫, 渡邉 正義, 亀田恭男, 梅林 泰宏
    • Organizer
      電気化学会第85回大会
  • [Presentation] Speciation and structure analysis of N-methylimidazole and acetic acid equimolar mixture as pseudo-protic ionic liquids toward specific proton conducting mechanism; Super Arrhenius proton conduction2017

    • Author(s)
      Hikari Watanabe, Hiroyuki Doi, Tatsuya Umecky, Toshiyuki Takamuku, Andreas Nazet, Thomas Sonnleitner, Richard Buchner, Yasuo Kameda, Yasuhiro Umebayashi
    • Organizer
      Asia/CJK symposium on analytical science 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Lithium ion solvation structure in “Water-in-salt” super-concentrated aqueous electrolyte solution2017

    • Author(s)
      Erika Nozaki, Hikari Watanabe, Kazuhide Ueno, Kenta Fujii, Nana Arai, Shiro Seki, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe, Yasuo Kameda, Yasuhiro Umebayashi
    • Organizer
      Asia/CJK symposium on analytical science 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Lithium ion local structure and liquid structure in non-equimolar lithium-glymes solvate ionic liquids2017

    • Author(s)
      Nana Arai, Hikari Watanabe, Shiro Seki, Erika Nozaki, Kazuhide Ueno, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe, Yasuo Kameda, Yasuhiro Umebayashi
    • Organizer
      Asia/CJK symposium on analytical science 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Water-in-salt’超濃厚Li((CF3SO2)2N)水溶液の構造と熱力学2017

    • Author(s)
      野崎永莉香, 渡辺日香里, 上野和英, 藤井健太, 荒井 奈々, 関志朗, 獨古薫, 渡邉 正義, 亀田恭男, 梅林 泰宏
    • Organizer
      電気化学会第85回大会
  • [Presentation] N-メチルイミダゾール‐カルボン酸系擬プロトン性イオン液体のイオン伝導に及ぼすアルキル鎖長および酸の強さの影響2017

    • Author(s)
      渡辺日香里, 荒井奈々, 野崎永莉香, 亀田恭男, 梅林泰宏
    • Organizer
      第8回イオン液体討論会
  • [Presentation] ハイドロフルオロエーテル希釈溶媒和イオン液体の液体構造2017

    • Author(s)
      都築誠二, 森下徹也, 中村壮伸, 篠田渉, 渡辺日香里, 梅林泰宏, 関志朗, 万代俊彦, 上野和英, 獨古薫, 渡邉正義
    • Organizer
      第58回電池討論会
  • [Presentation] 擬プロトン性イオン液体のナノスケール相分離構造とイオン伝導機構2017

    • Author(s)
      渡辺日香里, 荒井奈々, 野崎永莉香, 亀田恭男, 梅林泰宏
    • Organizer
      第40回溶液化学シンポジウム
  • [Presentation] 6Li/7Li, H/D同位体置換法中性子回折による25 mol% LiTFSA水溶液の構造解析2017

    • Author(s)
      亀田恭男, 天羽優子, 臼杵毅, 渡辺日香里, 梅林泰宏, 上野和英, 関志朗, 都築誠二, 獨古薫, 渡邉正義
    • Organizer
      第40回溶液化学シンポジウム
  • [Presentation] N-アルキルイミダゾール‐アルキルカルボン酸系擬プロトン性イオン液体の特異的プロトン伝導機構2017

    • Author(s)
      渡辺日香里, 荒井奈々, 野崎永莉香, 梅林泰宏
    • Organizer
      2017年電気化学秋季大会
  • [Presentation] 不定比リチウム-グライム錯体系溶媒和イオン液体中のLi局所構造と液体構造2017

    • Author(s)
      荒井 奈々, 渡辺日香里, 関志朗, 野崎 永莉香, 上野 和英, 獨古 薫, 渡邉 正義, 亀田恭男, 梅林 泰宏
    • Organizer
      2017年電気化学秋季大会
  • [Presentation] Water-in-salt’リチウム電池電解液中のリチウムイオン局所構造と液体構造2017

    • Author(s)
      野崎永莉香, 渡辺日香里, 上野和英, 藤井健太, 荒井 奈々, 関志朗, 獨古薫, 渡邉 正義, 亀田恭男, 梅林 泰宏
    • Organizer
      2017年電気化学秋季大会
  • [Presentation] 液体構造からみたN-アルキルイミダゾールからなる酢酸系擬プロトン性イオン液体の特異的プロトン伝導機構2017

    • Author(s)
      渡辺日香里, 荒井奈々, 野崎永莉香, 亀田恭男, 梅林泰宏
    • Organizer
      日本分析化学会第66年会
  • [Presentation] ハイドロフルオロエーテル希釈リチウム-グライム錯体系溶媒和イオン液体中のリチウムイオンのスペシエーションと局所構造2017

    • Author(s)
      渡辺日香里, 齊藤 蒼思, 上野 和英, 万代 俊彦, 関志朗, 都築 誠二, 亀田 恭男, 獨古 薫, 渡邉 正義, 梅林 泰宏
    • Organizer
      第77回分析化学討論会
  • [Presentation] リチウム-グライム錯体系溶媒和イオン液体の過剰塩組成における液体構造2017

    • Author(s)
      荒井 奈々, 渡辺日香里, 関志朗, 野崎 永莉香, 上野 和英, 獨古 薫, 渡邉 正義, 亀田恭男, 梅林 泰宏
    • Organizer
      第77回分析化学討論会
  • [Presentation] 次世代リチウム電池電解液を志向する濃厚リチウム塩溶液中のリチウムイオン局所構造および液体構造2017

    • Author(s)
      野崎永莉香, 渡辺日香里, 上野和英, 藤井健太, 荒井 奈々, 関志朗, 獨古薫, 渡邉 正義, 亀田恭男, 梅林 泰宏
    • Organizer
      第77回分析化学討論会
  • [Presentation] 相補的最小自乗解析および同位体置換Raman分光による不定比Li-Glyme系溶媒和イオン液体中のLi+の状態分析と生成分布2017

    • Author(s)
      荒井奈々, 渡辺日香里, 野崎永莉香, 関志朗, 都築誠二, 上野和英, 獨古薫, 渡邉正義, 亀田恭男, 梅林泰宏
    • Organizer
      第8回イオン液体討論会
  • [Presentation] 中性子/X線散乱・Raman散乱実験とMDシミュレーションによる”Water-in-salt”超濃厚Li塩水溶液中のLi+局所構造2017

    • Author(s)
      野崎永莉香, 渡辺日香里, 上野和英, 藤井健太, 荒井 奈々, 関志朗, 獨古薫, 渡邉 正義, 亀田恭男, 梅林 泰宏
    • Organizer
      第8回イオン液体討論会
  • [Presentation] 高エネルギーX線全散乱およびRaman分光による不定比リチウム―グライム錯体系溶媒和イオン液体の構造に関する研究2017

    • Author(s)
      荒井奈々, 渡辺日香里, 関志朗, 都築誠二, 野崎永莉香, 上野和英, 獨古薫, 渡邉正義, 亀田恭男, 梅林泰宏
    • Organizer
      第40回溶液化学シンポジウム
  • [Presentation] ‘Water-in-salt’超濃厚リチウム塩電溶液中のLi局所構造2017

    • Author(s)
      野崎永莉香, 渡辺日香里, 上野和英, 藤井健太, 荒井 奈々, 関志朗, 獨古薫, 渡邉 正義, 亀田恭男, 梅林 泰宏
    • Organizer
      第40回溶液化学シンポジウム
  • [Presentation] N-アルキルイミダゾール‐アルキルカルボン酸系擬プロトン性イオン液体のナノ相分離構造と特異的イオン伝導2017

    • Author(s)
      渡辺日香里, 荒井奈々, 野崎永莉香, 亀田恭男, 梅林泰宏
    • Organizer
      第31回新潟地区部会研究発表会
  • [Presentation] X線全散乱実験およびMDシミュレーションによる不定比リチウム錯体系溶媒和イオン液体の構造に関する研究2017

    • Author(s)
      荒井奈々, 渡辺日香里, 関志朗, 都築誠二, 野崎永莉香, 上野和英, 獨古薫, 渡邉正義, 亀田恭男, 梅林泰宏
    • Organizer
      第31回新潟地区部会研究発表会
  • [Presentation] 水を溶媒とするリチウム電池電解液中のリチウムイオン局所構造と液体構造2017

    • Author(s)
      野崎永莉香, 渡辺日香里, 上野和英, 藤井健太, 荒井 奈々, 関志朗, 獨古薫, 渡邉 正義, 亀田恭男, 梅林 泰宏
    • Organizer
      第31回新潟地区部会研究発表会

URL: 

Published: 2018-12-17  

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