2019 Fiscal Year Annual Research Report
「逆グロータス機構」に基づく高ヒドリドイオン伝導体の創成
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19J23505
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
福井 慧賀 東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | イオン伝導 / ヒドリドイオン / 酸水素化ランタン / 水素化イットリウムマグネシウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素の陰イオンであるヒドリドイオンは高い酸化還元電位（－2.3 V）および反応性を持つためエネルギーデバイスや化学合成プロセスへの応用が期待されている．筆者らは酸水素化ランタンが中温域において10 mS/cm を超えるヒドリドイオン伝導度を示すことを報告した．本研究課題は酸水素化ランタンにおけるヒドリドイオン伝導機構を明らかにすることでさらに高性能なヒドリドイオン伝導体を開発することを目的としている．
酸水素化ランタンにおけるヒドリドイオン伝導は構成成分である酸素の影響を強く受ける．端成分である水素化ランタンに酸素を導入することで電子伝導性を抑制することが可能となるが，ヒドリドイオン伝導度は酸素量の増加に伴って著しく減少する．また酸素近傍ではヒドリドイオンの移動がほとんど起こらないことが分子動力学シミュレーションにより明らかとなっている．以上のことはヒドリドイオン伝導が酸素による干渉を受けやすい機構で発現していることを示唆している．
そこで筆者らは酸水素化ランタンと同じ結晶構造を持ちながらヒドリドイオンのみを陰イオンとして含む物質に着目し，その一例として合成報告のある水素化イットリウムマグネシウムの物性評価を行った．イットリウムイオンの一部が低価数のマグネシウムイオンで置換されることにより電子伝導性が抑制され，室温（30°C）において0.27 μS/cm のイオン伝導度を示した．酸水素化ランタンの伝導度は100°Cで0.1 μS/cm を割り込むことから，水素化イットリウムマグネシウムの低温における伝導度は酸水素化ランタンを大幅に上回ることが判明した．このことから酸水素化ランタンのヒドリドイオン伝導機構を考察する上で酸素は阻害因子として振る舞うことが明確となった．さらに酸素導入以外の方法による電子伝導性の抑制が高性能化を達成するための有力な方針となりうることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の計画は酸水素化ランタンにおけるヒドリドイオン伝導機構の解明に必要となる中性子回折および準弾性・非弾性散乱測定を行い，並行してデータの解析を進めることである．これらの測定のうち中性子回折および準弾性散乱測定はすでに完了しており，伝導機構の解析に必要なデータが揃った段階まで到達している．またこれら実験的手法に基づく分析だけでなく分子動力学シミュレーションによる伝導機構解析も進行している．これまでより大きな時間・空間スケールでのシミュレーションにより，実態により近い伝導状態の再現が可能となりつつある．さらに室温において酸水素化ランタン以上に高い伝導度を示す物質（水素化イットリウムマグネシウム）を見出したことにより，高伝導度化および作動温度の低温化に向けた具体的な方針の一例を挙げることができた．以上のことから，本年度の進捗状況は当初の計画以上に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究により実験およびシミュレーションの両面から酸水素化ランタンにおけるヒドリドイオン伝導機構に関わる情報が得られたことから，これらの情報を用いて伝導機構の解析を進めるとともに，高性能化の鍵となる要素を導き出すことを目的として研究を行う．さらに伝導機構の解析と並行し，酸水素化ランタンと等構造の水素化物について水素化イットリウムマグネシウム以外についても材料探索および物性評価を行い，高性能なヒドリドイオン伝導体の早期実現を目指す．
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