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プロトン伝導性自己組織化膜の合理的設計のための局所構造解析

研究課題

研究課題/領域番号 23K23157
補助金の研究課題番号 22H01889 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分28010:ナノ構造化学関連
研究機関金沢大学

研究代表者

水野 元博  金沢大学, ナノマテリアル研究所, 教授 (70251915)

研究分担者 石井 史之  金沢大学, ナノマテリアル研究所, 教授 (20432122)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2024年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2022年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
キーワード固体プロトン伝導体 / 固体NMR / 分子運動 / 水素結合 / プロトン伝導体 / 高分子複合体
研究開始時の研究の概要

本研究では,複数の高分子とプロトン輸送分子からなる自己組織化膜のプロトン伝導性と熱安定性を向上させるため,固体NMRによる局所構造・分子運動の解析法と計算科学手法を結び付けた解析により,自己組織化膜の構造・形成過程・性質(伝導性,柔軟性,熱安定性),及び膜中でのプロトン伝導経路・メカニズムを解析する。高温でプロトン輸送分子の脱離を防ぐため,プロトン輸送分子にアルキル鎖などのアンカー基を取り付け,アンカー基の分子の回転運動・プロトン伝導への影響を調べる。

研究実績の概要

本研究では,高分子とプロトン輸送分子の自己組織化により形成される固体プロトン伝導体のナノ空間の構造・分子運動・相互作用の詳細な解析,及びプロトン伝導機構の解明により,新規な高プロトン伝導性材料の開発を行う。
本年度は、アルギン酸(AA)、ポリアクリル酸(PAA)にプロトン輸送分子として1,2,3-トリアゾール(Tz)を加えた複合体膜((1-x)AA-xPAA-yTz、yはAA、PAAに含まれるカルボキシ基に対するTzのモル比)を作製した。膜内のTzの導入量を変化させることで、複合体のプロトン伝導性や熱安定性がどのように変化するかを調べた。AAとPAAの割合が等しい(x=0.5)膜二つを比較すると、Tzの割合が大きい膜の方が高い伝導率を示した。また、同じTz量(y=0.9)の膜を比較すると、PAAの割合が大きい膜の方がより高温で高い伝導率を示した。プロトン輸送分子であるTzの導入量が増えると、プロトン伝導性は向上し、PAAの割合が大きいほど、高温でも膜の状態を保つことができ、耐熱性が上がることがわかった。
AAにプロトン輸送分子として長さの異なるアルキル鎖を有するイミダゾール誘導体(AlkIm)を加えた複合体膜について、プロトン伝導性と熱安定性を調べた。イミダゾールにアルキル鎖がつくことでAAから脱離しにくくなることが示唆された。また、AlkImの重水素化物を調製し、複合体膜中でのAlkImの運動を解析した。アルキル鎖が付いていてもイミダゾール誘導体は高温では等方回転運動を起し、プロトン伝導の効率を上げることがわかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

複数の高分子とプロトン輸送分子の自己組織化により形成される固体プロトン伝導体を調製しプロトン伝導性と熱安定性を向上させことができた。得られた研究成果を学術誌に発表した。高分子中のプロトン伝導キャリア分子の運動の分布を詳細に解析できる固体重水素NMRの解析法を開発した。開発した手法をポリアクリル酸/イミダゾール複合体の解析に用い、イミダゾールの運動状態の分布を詳細に調べプロトン伝導性との関係を明らかにできた。得られた研究成果を学術誌に発表した。これらの成果を国際学会の招待講演で発表した。

今後の研究の推進方策

プロトン伝導性高分子複合膜における局所構造や分子運動状態とプロトン伝導性の関係を理論計算も含め、より詳細に調べる。また、用いる高分子やプロトンキャリア分子も変えて新規なプロトン伝導性高分子複合膜の開発も進める。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Solid-state 2H NMR investigation of molecular motion in proton-conducting polyacrylic acid/imidazole composites2024

    • 著者名/発表者名
      Mizuno Motohiro、Hosoe Nanaka、Kurihara Takuya、Shigeta Yasuhiro、Amemori Shogo、Yamaguchi Naoya、Ishii Fumiyuki
    • 雑誌名

      Interactions

      巻: 245 号: 1 ページ: 33-33

    • DOI

      10.1007/s10751-024-01867-4

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Structural and physical properties of proton-conducting polyacrylic acid/alginic acid/1,2,4- Triazole composite membranes2023

    • 著者名/発表者名
      Watanabe Ryota、Kurihara Takuya、Shigeta Yasuhiro、Amemori Shogo、Yamaguchi Naoya、Ishii Fumiyuki、Ida Tomonori、Mizuno Motohiro
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 399 ページ: 116299-116299

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2023.116299

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Proton Conduction at High Temperature in High-Symmetry Hydrogen-Bonded Molecular Crystal of Ru(III) Complexes with Six Imidazole-Imidazolate Ligands2022

    • 著者名/発表者名
      M. Tadokoro, M. Itoh, R. Nishimura, K. Sekiguchi, N. Hoshino, H. Kamebuchi, J. Miyazaki, F. Kobayashi, M. Mizuno, T. Akutagawa
    • 雑誌名

      Chemistry -An European Journal-

      巻: 28 号: 47

    • DOI

      10.1002/chem.202201397

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Isotropic Anhydrous Superprotonic Conductivity Cooperated with Installed Imidazolium Molecular Motions in a 3D Hydrogen-Bonded Phosphate Network2022

    • 著者名/発表者名
      Shun Dekura,* Motohiro Mizuno, Hatsumi Mori*
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 61 号: 49

    • DOI

      10.1002/anie.202212872

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of association constants of various charge-transfer complexes in siloxane solvents2022

    • 著者名/発表者名
      Amemori Shogo、Hamamoto Ryosuke、Mizuno Motohiro
    • 雑誌名

      New Journal of Chemistry

      巻: 46 号: 29 ページ: 13856-13860

    • DOI

      10.1039/d2nj00214k

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 2H solid-state NMR study of molecular motion in proton conducting materials2023

    • 著者名/発表者名
      Motohiro Mizuno
    • 学会等名
      HYPERFINE2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 固体プロトン伝導体におけるプロトンキャリア分子の回転運動2023

    • 著者名/発表者名
      水野元博
    • 学会等名
      第 2 回柔粘性結晶研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 酸化グラフェン層間に挿入されたイミダゾールの分子運動とプロトン伝導2023

    • 著者名/発表者名
      山口和輝, 重田泰宏, 水野元博, 後藤和馬
    • 学会等名
      第36回日本吸着学会研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] プロトン伝導性ポリアクリル酸/アルギン酸/1,2,3-トリアゾール複合体の分子運動2023

    • 著者名/発表者名
      山本源太, 重田泰宏, 栗原拓也, 雨森翔悟, 井田朋智, 水野元博
    • 学会等名
      2023年度北陸地区講演会と研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] プロトン伝導性アルギン酸 / 2-アルキルイミダゾール複合体における分子運動の詳細解析2023

    • 著者名/発表者名
      細江菜々花, 栗原拓也, 重田泰宏, 雨森翔悟, 井田朋智, 水野元博
    • 学会等名
      第62回NMR討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] プロトン伝導性ホスホン酸修飾メソポーラスシリカ / イミダゾール複合体の合成と固体 NMR による解析2023

    • 著者名/発表者名
      重田泰宏, 水野元博
    • 学会等名
      第62回NMR討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 固体 NMR によるポリアクリル酸 / アルギン酸 / 1,2,3-トリアゾール複合体の分子運動解析2023

    • 著者名/発表者名
      山本源太, 重田泰宏, 栗原拓也, 雨森翔悟, 井田朋智, 水野元博
    • 学会等名
      第62回NMR討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] アルギン酸/ポリアクリル酸/1,2,3-トリアゾール複合体のプロトン伝導性2023

    • 著者名/発表者名
      山本源太, 重田泰宏, 栗原拓也, 雨森翔悟, 井田朋智, 水野元博
    • 学会等名
      日本化学会第203春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 常磁性金属イオンの固溶によるMOFの固体NMR測定の高速化2023

    • 著者名/発表者名
      Henric Mezzomo, 栗原拓也, 重田泰宏, 雨森翔悟, 井田朋智, 水野元博
    • 学会等名
      日本化学会第203春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 非対称なNHC金属錯体を用いた結晶性分子ローターの開発と固体発光物性2023

    • 著者名/発表者名
      藤澤優輔, 安藤廉平, 水野元博, 伊藤肇, 陳旻究
    • 学会等名
      日本化学会第203春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 蒸気応答性付与を志向したFe(III)イオンを有する柔粘性イオン結晶の合成と相挙動2023

    • 著者名/発表者名
      重田泰宏, 水野元博
    • 学会等名
      日本化学会第203春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 様々な反応条件でのゲル中におけるMOFの合成を利用したMOF801-PDMS複合膜の作製とガス分離特性2023

    • 著者名/発表者名
      西川 卓良, 栗原 拓也, 重田 泰宏, 雨森 翔悟, 井田 朋智, 水野 元博
    • 学会等名
      日本化学会第203春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 常磁性ナノ結晶細孔に閉じ込められた階層的水クラスターの固体2H NMRによる解析2023

    • 著者名/発表者名
      並木 智哉1、齋藤 明, 尾花 駿, 小林 文也, 栗原 拓也, 水野 元博, 田所 誠
    • 学会等名
      日本化学会第103春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] プロトン伝導性アルギン酸/2-アルキルイミダゾール複合体の分子運動解析2022

    • 著者名/発表者名
      細江菜々花, 栗原拓也, 重田泰宏, 雨森翔悟, 井田朋智, 水野元博
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] プロトン伝導性アルギン酸/2-アルキルイミダゾール複合体の分子運動と局所構造2022

    • 著者名/発表者名
      細江菜々花, 栗原拓也, 重田泰宏, 雨森翔悟, 井田朋智, 水野元博
    • 学会等名
      第61回NMR討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 親水性ナノ多孔質結晶に閉じ込められた階層的な水分子クラスターの 2H-NMR スペクトル解析2022

    • 著者名/発表者名
      齊藤明, 尾花駿一, 並木智哉, 小林文也, 栗原拓也, 水野元博, 田所誠
    • 学会等名
      第61回NMR討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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