| 研究課題/領域番号 |
16H06119
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
高木 成幸 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50409455)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 水素 / 構造・機能材料 / 超伝導材料 / 水素貯蔵材料 |
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| 研究実績の概要 |
遷移金属錯体水素化物の高水素密度化を妨げていた従来の錯イオン形成限界である「6族の壁」を克服し、3族から6族の遷移金属元素に9つ以上の水素が配位した高水素配位錯イオンを有する遷移金属錯体水素化物群を合成する。これらの水素化物は高密度に水素を貯蔵することに加え、超高圧印可により極めて高い温度で超伝導相に転移することが期待できる。
平成28年度は、5族ならびに6族の遷移金属による高水素配位錯イオンの創製に取り組んだ。5族元素としてモリブデンとタングステン、6族元素としてニオブとタンタルを選定、高圧プレス装置を用いた高温高圧合成技術の援用により、これらの元素それぞれに1原子あたり9つの水素が配位した新たな4種の高水素配位錯イオン（[MoH9]3-、[WH9]3-、[NbH9]4-、[TaH9]4-）を創製、これらが5つ、ないし6つのリチウムイオンと2つのヒドリドイオンによって安定化された4種の遷移金属錯体水素化物（Li5MoH11、Li5WH11、Li6NbH11、Li6TaH11）の系統的な合成に成功した。また、第一原理計算を用いた電子状態解析により、これらすべての遷移金属錯体水素化物において当初の目論見通り水素の電子軌道がフェルミ準位に到達していることを実証した。（2017年3月14日の日経産業新聞8面にて紹介。）
水素貯蔵および超伝導に関する知見に加え、リチウムイオン伝導の観点からも新たな知見が得られた。第一原理分子動力学計算にてLi5MoH11における各原子の動的挙動を詳細に調べた結果、室温近傍で錯イオンが回転運動を示し、リチウムイオンの高速拡散を促す様子が観察された。この結果は、これまでイオン伝導体としてはまったく注目されていなかった遷移金属錯体水素化物の蓄電デバイスへの応用を期待させる重要な成果である。
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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
これまで経験的に錯イオン形成が困難とされてきた5族および6族元素において、既存の水素配位数を凌駕する水素9配位錯イオンの形成に成功し、申請時に掲げた4課題のうち、「6族の壁の克服」ならびに「9配位以上の高水素配位錯イオン創製」の2課題を達成することができた。これらの成果はさらなる高水素配位錯イオン探索に向けた極めて重要な学術的知見の獲得にも繋がり、最終目標である「エネルギー関連機能の創出」に向けた取り組みが一気に加速されたといえる。また合成した高水素配位錯体水素化物において、申請時には想定していなかった室温近傍での高速リチウムイオン伝導発現を示唆する理論計算結果も得られ、全固体二次電池の固体電解質としての応用を視野に入れた新たな研究展開も期待される。以上を踏まえ、「当初の計画以上に進展している」と自己評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
遷移金属錯体水素化物の超伝導機能実証実験ならびに高密度水素貯蔵機能実証実験に取り組む。平成28年度に得られた4試料ともに4eV程度のバンドギャップを持つ絶縁体であり、超伝導を発現させるためには超高圧印可による金属化が不可欠である。重量水素密度の最も高いLi5MoH11から順に、ダイヤモンドアンビルセルにて発生させた100GPaオーダーの超高圧下での電気抵抗測定を実施する。実験に先立ち、第一原理計算を用いて絶縁体-金属転移圧力を高精度に予測し、迅速かつ確実な課題達成を目論む。
また、新規錯イオンの探索領域を3族、4族元素へと拡張し、引き続きさらなる高水素配位錯イオンの創製にも取り組む。
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