2021 Fiscal Year Research-status Report
Construction of innovative proton conductors by precise structural control of inorganic-organic hybrid crystals
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21K05232
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
伊藤 建 東海大学, 理学部, 教授 (50376935)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小口 真一 東海大学, 理学部, 准教授 (90580499)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 無機－有機ハイブリッド / 層状結晶 / ポリ酸 / 界面活性剤 / 伝導性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
モリブデン、バナジウム、タングステンのオキソ酸水溶液に界面活性剤溶液を加え、無機－有機ハイブリッド結晶を合成した。合成溶液の液性（pH）や、結晶化の条件（溶媒、pH、温度など）を精密に制御することにより、複数種の無機－有機ハイブリッド結晶を得た。単結晶X線構造解析の結果から、いずれも新規化合物であることを見出した。得られた結晶中では、縮合重合したオキソ酸（ポリ酸）アニオンと界面活性剤カチオンが交互に積層した層状構造を有していた。
使用する界面活性剤や合成・結晶化の条件を検討することにより、ポリ酸アニオンの分子構造と結晶の化学組成を精密に制御できた。バナジウムのポリ酸アニオンを用いた場合には、ポリ酸アニオン1個あたりのプロトンの数を0、1、2個と制御して無機－有機ハイブリッド結晶に組み込む方法を確立した。これらのプロトン含有型無機－有機ハイブリッド結晶の伝導性を、交流インピーダンス法により評価した。伝導性評価の結果から、本研究の目標である中温・無加湿条件で高プロトン伝導性を発現する材料の設計指針を得ることができた。
また、モリブデンのポリ酸アニオンを用いた場合では、溶液中に存在するルビジウムやセシウムなどのアルカリ金属イオンを層間に取り込んだハイブリッド結晶を合成できた。これらのアルカリ金属イオン含有型ハイブリッド結晶は、イオン伝導体として電池向けの部材や、放射性ルビジウム・セシウムイオンの吸着剤などへ応用できると期待される。
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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
現状で、目的とするプロトン含有型無機－有機ハイブリッド結晶の合成条件を確立している。得られている知見を活かして合成条件の最適化することで、高プロトン伝導性を発現させることができると期待される。また、研究を遂行する過程で、ルビジウムイオンやセシウムイオンを層間に導入したハイブリッド層状結晶を合成できた。これらの材料の伝導特性の検討を通じて、燃料電池をはじめとする各種電池部材への展開が可能になると期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに得られた結果を基に、プロトン含有型ハイブリッド結晶の合成方法を最適化していく。得られた無機－有機ハイブリッド結晶については、X線構造解析と元素分析により、化学組成および結晶構造を明らかにする。平行して中温・無加湿条件下でプロトン伝導性を検討していき、組成と伝導性の関係を明らかにしていく。得られた結晶の熱安定性も考慮しながら、高プロトン伝導性を発現するための必要条件を抽出し、合成戦略に有するハイブリッド層状結晶の合成につなげる。
プロトン含有型無機－有機ハイブリッド結晶の合成方法を確立するためには、単結晶X線構造解析を行い、結晶を構成する化学種の分子構造とパッキングを明らかにすることが必須である。得られた測定データの処理および解析作業は専用のソフトウェアで行うが、データ処理時間の短縮と複数名での並列処理を行うため、複数台のデータ処理専用パーソナルコンピュータを購入する予定である。
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| Causes of Carryover |
申請当初は、水熱条件下での合成が可能なマイクロ波合成装置を購入する予定であったが、マイクロ波合成装置を使用しなくとも目的とするプロトン含有型無機－有機ハイブリッド結晶を合成できる目途がついたため、購入を見送った。そのため、次年度に繰り越す金額が生じた。繰り越した金額は、新規なプロトン含有型無機－有機ハイブリッド結晶を合成するために必要な薬品やガラス器具の購入に充てる予定である。
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