2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of superprotonic conductivity in plastic crystals
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17K18746
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
森 初果 東京大学, 物性研究所, 教授 (00334342)
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2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 無水有機結晶 / 超プロトン伝導 / 柔粘性結晶 / 水素結合 / 酸ー塩基塩 / 分子運動 / 異方性 / グロッタス機構 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代のクリーンなエネルギー社会へ向けて、水素から電気エネルギーを取り出す燃料電池に注目が集まっている。現在、燃料電池の電解質として、液漏れがなく環境調和型で、中温度域でも利用できる無水の有機固体プロトン電解質の研究が必要とされている。
近年の有機プロトン伝導体の研究で、伝導を担う分子の運動によるプロトン拡散の促進、および水素結合ネットワークの多次元性が重要であることを見出している。そこで、本課題では、分子運動および水素結合ネットワークの多次元化を行い、プロトン拡散を促進し、燃料電池に必要とされる室温で>10-3 S/cm以上を達成するために、純有機柔粘性結晶を対象としてプロトン伝導体を設計・合成し、多次元に水素結合が広がった結晶について、結晶構造とプロトン伝導性（温度依存性、周波数依存性）の相関より伝導機構解明を行い、超プロトン伝導の開拓に挑むことを目的としている。
本年度は、無水酸―塩基型純有機プロトン伝導体、ジカルボン酸（コハク酸、グルタル酸、フタル酸）―イミダゾール結晶を系統的に調べた。プロトン伝導の異方性、高温X線構造解析、熱測定、赤外分光、固体NMR測定より、一番高プロトン伝導性を有するコハク酸塩では、静的な要因として、2次元の水素結合ネットワークを有していること、ジカルボン酸とイミダゾリウム（イミダゾールの共役酸）の酸性度差が小さいことが重要であるばかりでなく、動的な要因としてイミダゾールの分子秤動角度の増大が有効に働いていることを明らかにした。このように静的および動的な要因が協働するほど高い伝導性が得られ、さらに珍しいことに、単結晶よりパウダーペレットにおいて2桁ほど良く、高温で2x10^(-4)Scm-1のプロトン伝導性が発現することが明らかとなった。これらの結果について、学術論文にまとめた。
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