| 研究課題/領域番号 |
15H03791
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
芥川 智行 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (60271631)
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| 研究分担者 |
綱島 亮 山口大学, 理工学研究科, 准教授 (70466431)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | プロトン伝導 / 水素結合 / インピーダンス / 次元性 / アニリニウム / リン酸塩 / 結晶工学 / 異方性 |
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| 研究実績の概要 |
分子性結晶内のプロトン移動の制御から、スーパープロトンリレー材料を創製する事を研究目的とした。本年度は、酸-塩基型の(Anilinium+)(H2PO4-)や分子クラスター型の(H+)x(Cs+)3-x[PMo12O40]n(H2O)などの多彩な分子性材料に着目し、プロトンリザーバーとプロトンリレー格子の制御を試みた。分子性のスーパープロトンリレー材料の開発を、酸-塩基型の分子間水素結合性結晶である(Anilinium+)(H2PO4-)、(CnH2n+1NH3+)(C5NH4-SO3-)および(H+)x(Cs+)3-x[PMo12O40]n(H2O)からスタートさせた結果、(Anilinium+)(H2PO4-)における系統的な検討が実施可能であることが示された。プロトンリザーバーであるAnilinium誘導体の分子構造の制御から、多様な配列形態を有する(H2PO4-)∞水素結合鎖が実現可能であり、カチオン構造の設計によるジグザグ、ラダーやシートなどの多彩な(H2PO4-)∞水素結合性プロトンリレー格子の発現が可能であった。配列制御カチオンユニットとしてAnilinium誘導体のo-, m-, p- 位にF, Cl, Br, I 体を置換することで、分子サイズ、分子長およびアスペクト比を制御可能な13 種類のanilinium 誘導体に着目したイオン性水素結合分子集合体に関する研究を実施した。多様なanilinium誘導体とアニオン分子であるphosphateと組み合わせることで、静電的水素結合ネットワークを構築し、そこから導かれる機能性に関する検討を試みた。詳細な設計を施した14 種類のカチオン分子の利用が、結晶工学における配列制御と機能発現に重要な指針を与える事を見いだした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
昨年度は、分子性のスーパープロトンリレー材料の開発を、酸-塩基型の分子間水素結合性結晶である(Anilinium+)(H2PO4-)、(CnH2n+1NH3+)(C5NH4-SO3-)および(H+)x(Cs+)3-x[PMo12O40]n(H2O)からスタートさせた。結果、(Anilinium+)(H2PO4-)における系統的な検討が実施可能であることが示され、今後の研究展開を図る分子性材料の選択が可能であった。プロトンリザーバーであるAnilinium誘導体が、比較的容易に分子構造の制御が可能であり、多様な配列形態を有する(H2PO4-)∞水素結合鎖が実現可能である事を見いだしたのは、今後の研究進展に対して大きな成果であった。現在、カチオン構造の設計によりジグザグ、ラダーやシートなどの多彩な(H2PO4-)∞水素結合性プロトンリレー格子の設計が可能と成ったことから、その詳細な伝導性について単結晶試料を用いたプロトン伝導度の異方性の測定から検討を実施する。プロトン伝導性は、インピーダンス測定の温度依存性から実施するが、結晶の熱的安定性を考慮に入れた測定を実施し、プロトン伝導度の絶対値と活性化エネルギーの層間を、水素結合様式の次元性と強さの観点から総括的な検討を実施する。そのための、基礎データの収集の目処が立ったと考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度は、分子性のスーパープロトンリレー材料である酸-塩基型の分子間水素結合性結晶 (Anilinium+)(H2PO4-)に着目して、Anilinium誘導体のo-, m-, p- 位にF, Cl, Br, I 体を置換することで、分子サイズ、分子長およびアスペクト比を制御可能な13 種類のanilinium 誘導体に着目したイオン性水素結合分子集合体の創製に成功している。その詳細な伝導性について単結晶試料を用いたプロトン伝導度の異方性の測定から検討を実施する。プロトン伝導性は、インピーダンス測定の温度依存性から実施するが、結晶の熱的安定性を考慮に入れた測定を実施し、プロトン伝導度の絶対値と活性化エネルギーの層間を、水素結合様式の次元性と強さの観点から総括的な検討を実施する。単結晶を用いたプロトン伝道性の異方性の解明は、ミクロスケールのプロトン伝導パスを明確にすると考えられ、異なる結合・連結様式を有する水素結合格子を研究対象とする事で、より総合的な分子構造とプロトン伝導性の層間が導出可能と期待できる。これは、さらなる高いプロトン伝導性を有するスーパープロトンリレー材料の創製に必要な分子設計原理の導出を可能とする。また、山口大学で開発を進めている(H+)x(Cs+)3-x[PMo12O40]n(H2O)に関して、材料設計の幅を広げるために、カチオン構造を有機塩を含めて、より幅広いシステムへと発展させる事を視野に入れた研究を実施する。
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