| 研究領域 | ハイドロジェノミクス：高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成 |
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| 研究課題/領域番号 |
18H05516
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
森 初果 東京大学, 物性研究所, 教授 (00334342)
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| 研究分担者 |
小林 玄器 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 准教授 (30609847)
樋口 芳樹 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 教授 (90183574)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| キーワード | 水素 / ハイドロジェノミクス / 高次水素機能 / 水素と電子のカップリング / 外場応答スイッチング / ヒドリド伝導 / ヒドロゲナーゼ / 水素ー電子統一相図 |
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| 研究実績の概要 |
本計画研究では、水素が「高速移動し、電子とカップリング（協奏）する機能」を高めるための高速移動化およびカップリング技術を創出し、他の水素機能との 融合することで従来にはない新発想デバイス設計を確立するとともに、物質系を越えた統一的な水素と電子のカップリングの学理を構築することを目的としている。目的達成のために研究ステージを3つに分割して遂行している。ステージIとして、「高速移動機能、および水素―電子カップリング機能」の高度化および制御を行い、ステージIIとして、その機能と他の水素機能との融合による高次水素機能の誘起をし、ステージIIIとして、領域全体での連携による新発想デバイスの 創製およびその背後にある学理構築を目指している。 本年度は、ステージⅡおよびⅢとして、有機系材料では、開発した無水純有機プロトン伝導体について、プロトン伝導の形態（結晶、粉末成形体）依存性、および各形態の伝導機構の解明を行なった。また、領域内連携で水素ー電子カップリング系自己集積型有機分子2層膜におけるプロトンスイッチングデバイスの開発を推進した。無機系材料では、ヒドリド超イオン伝導相への相転移過程を中性子回折と全散乱で調べ、超イオン伝導性の発現に繋がる構造情報を明らかにした。生体系材料においては、ヒドロゲナーゼの水素分解・合成化学反応、H－D 交換反応、および、オルト水素－パラ水素の変換反応を同時に測定するラマン分光酵素活性測定装置の改良を進めた。さらに、観測された現象を水素―電子カップリングの観点から物質系を越えて整理し、その総合的な知見を利用して新発想デバイスを視野に入れた学理の構築を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
2020年度は、有機系、無機系、生体系各々で、水素の「高速移動機能」、および「水素―電子カップリング機能」の高度化および制御を進めた。(1)有機系では、開発した無水純有機プロトン伝導体について、プロトン伝導の形態 [結晶、粉末成形体] 依存性を実験（結晶構造、交流伝導度、赤外分光測定）と理論の両面から調べ、粒界および分子運動と両方の観点で伝導機構を明らかにし、その結果を学術論文にまとめた。また、領域内連携で、水素ー電子カップリング系自己集積型有機分子2層膜におけるプロトンスイッチングデバイスの素子開発を推進した。(2)無機系では、ヒドリド超イオン伝導相への相転移過程を中性子回折と全散乱で調べ、超イオン伝導性の発現に繋がる構造情報を明らかにし、MD計算とも組み合わせてイオン拡散機構を解明した。 (3)生体材料系では、ヒドロゲナーゼの水素分解・合成化学反応、H－D 交換反応、および、オルト水素－パラ水素の変換反応を同時に測定するラマン分光酵素活性測定装置の改良を進めた。さらに、有機系、無機系、生体系における水素ー電子カップリングによる機能発現を俯瞰し、水素種を変幻自在に変化させる各環境場との相関に着目した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後、各物質系で、水素―電子カップリング機能を強化し、それらを複合化したデバイス開発、およびその背後にある学理構築に向けて領域内連携を駆使して取り組む。(1)有機系では、異方性が無く高速移動を実現する無水有機プロトン伝導体の開発、プロトン伝導と分子ダイナミクスの相関の実験的調査、理論グループと協力したプロトン伝導機構の解明、および燃料電池デバイスの作製を行う。さらに計測グループと連携した自己集積型有機分子2層膜系プロトンスイッチング新発想デバイスの開発を加速させる。(2)無機系では、薄膜グループとの連携により、ヒドリド超イオン伝導状態への転移挙動と超イオン伝導状態におけるヒドリドの“集団運動”を理解する。ヒドリド伝導性の電極・電解質材料の探索については、個別の材料研究から、電極/電解質界面の安定性や電荷移動抵抗の解釈など、デバイス化に向けた研究を展開する。領域内連携によりヒドリドリアクターデバイスを試作し、電気化学触媒反応を開拓する。(3)生体系では、計測グループとヒドロゲナーゼの水素分解・合成化学反応、H－D 交換反応、および、オルト水素－パラ水素の変換反応を同時に測定するラマン分光酵素活性測定装置について、気液界面反応性を考慮した新型反応セルの開発を進める．また，エアロゾル酵素溶液の利用や水素ナノバブルの利用を調査・検討する。
（４）有機系プロトン伝導、無機系ヒドリド伝導、水素錯イオン系リチウム伝導の各材料系を対象として、高速イオン移動とその自由エネルギー状態変化を実験・計測・計算から調査する。さらに、その結果を水素―電子カップリングの観点から物質系を越えて整理し、その総合的な知見を利用して新発想デバイスを設計・創出を目指す。
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