2021 Fiscal Year Research-status Report
Study on Mechanism of Guest-Induced Superionic Conduction of Magnesium Ion in Metal-Organic Frameworks
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21K05089
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
貞清 正彰 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 講師 (40635885)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | イオン伝導 / マグネシウムイオン / 配位高分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、マグネシウムイオン含有配位高分子におけるゲスト誘起超イオン伝導現象について、その発現機構を解明することを目指している。ゲスト誘起超イオン伝導の発現機構について、現在仮説として「細孔内のマグネシウムイオンがゲスト分子と錯体を形成することにより、配位高分子の骨格とマグネシウムイオンとの静電相互作用が抑えられ、マグネシウムイオンの移動度が向上する」と申請者らは提唱しており、本研究では、この仮説が正しいことを検証し、更なる高イオン伝導性を示す化合物を合成するため、ゲスト誘起イオン伝導性におけるゲスト分子のサイズ依存性およびホスト骨格の細孔サイズ依存性を明らかにすることを目的としている。令和3年度は、すでに合成に成功しているマグネシウムイオン含有配位高分子を用いて、導入するゲスト分子を、ゲスト誘起超イオン伝導が観測されているアセトニトリル以外の様々なサイズを持つ分子に変更し、イオン伝導度および活性化エネルギーの評価を行った。具体的には、プロトン性分子であるメタノールやエタノール、非プロトン性分子であるテトラヒドロフランや炭酸ジエチルを新たなゲスト分子として用い、密閉型の測定セルを用いて雰囲気制御下でイオン伝導度を評価した。その結果、各種ゲスト分子の種類に依存して劇的なイオン伝導度の変化が観測され、アセトニトリル以外のゲスト分子でもゲスト誘起イオン伝導性を発現することがわかった。また、イオン伝導度の値は、ゲストの官能基やプロトン性等よりも、ゲスト分子の分子サイズに強く依存することが明らかとなった。特に、メタノール蒸気下では10-4 Scm-1を超える超イオン伝導性を室温で発現することがわかった。また、これらの結果から、ゲスト分子存在下においては、マグネシウムイオンがゲスト分子と溶媒和または錯形成した高移動度のイオンキャリアが生成していることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、マグネシウムイオンを含有した配位高分子におけるゲスト誘起イオン伝導性について、ゲスト分子を様々に変更して伝導度を系統的に比較することにより、ゲスト分子の分子サイズがイオン伝導度やキャリア移動度の向上に強く関係していることを明らかにすることができた。これにより、マグネシウムイオンがゲスト分子と溶媒和または錯形成することにより高移動度のキャリアが生成してゲスト誘起イオン伝導性が発現する、という研究開始時の仮説が正しいことが強く示唆される結果を得ることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は用いるゲスト分子の更に多様化してイオン伝導度を測定し、イオン伝導度とゲスト分子の種類との関係をさらに解明するとともに、ホスト骨格の細孔サイズに対するを変更して同一のゲスト分子の蒸気存在下でのイオン伝導度を比較することで、ゲスト誘起イオン伝導の細孔サイズ依存性を明らかにする。
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