Elucidation of proton conduction mechanism in acid-base complexes investigated by theoretical calculations

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15524
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Hori Yuta 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (40806915)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: プロトン伝導機構 / 分子動力学計算 / 量子化学計算 / 分子運動 / イミダゾール / PVPA / コハク酸 / プロトン移動

Outline of Final Research Achievements

This work examined proton conduction mechanism in polymer complexes and organic crystals containing imidazole (Im) molecule investigated by theoretical calculations.
Molecular dynamics calculations demonstrated the local hydrogen bonding structures and molecular motions of Im in the polymer complexes as well as the relationship between their structures and dynamics. We suggested that the proton conduction in the polymer complex obeys Grotthuss-type mechanism. Quantum chemical calculations demonstrated the local hydrogen bonding structures, proton transfers, and molecular motions involved in proton conduction in organic crystals. We suggested that proton conduction proceeds by the coupling of intermolecular proton transfer and rotational motion of Im through the proton conduction pathway.

Free Research Field

理論化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、イミダゾールを含む高分子複合体と有機結晶中のプロトン伝導の分子レベルでのメカニズムを理論計算により明らかにした。特にプロトン伝導に関わるプロトンダイナミクスは実験により調べることが困難であるため、本研究によりその詳細を明らかにすることができた。本研究結果は、今後の高性能なプロトン伝導物質を設計する上で参考になる結果であり、物質開発の展開の足がかりとなる研究成果であると言える。
また、これらの研究で用いた計算手法は、様々なプロトン伝導物質の解析に利用可能であり、今後の継続した解析により、プロトン伝導機構の全体像が明らかになることが期待される。