| 研究課題/領域番号 |
17K18746
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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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| 研究期間 (年度) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| キーワード | プロトン伝導体 / 分子性物質 / 分子ダイナミクス / 水素結合ネットワーク / 酸塩基性 |
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| 研究実績の概要 |
次世代のクリーンなエネルギー社会へ向けて、水素から電気エネルギーを取り出す燃料電池に注目が集まっている。現在、燃料電池の電解質として、液漏れがなく環境調和型で、100-300℃の中温度域でも利用できる無水の有機固体プロトン電解質の研究が必要とされている。その無水有機プロトン伝導体の中で、酸塩基型のジカルボン酸―イミダゾールは、多結晶のペレットでも0.001 S/cmと驚くべき高伝導性を有することが報告されている。その起源として、プロトンを受け渡しするイミダゾール分子の運動、および水素結合ネットワークの多次元性が重要であることが見出されている。そこで、本課題では、3次元的に等方回転する分子から成る、対称性の高い純有機柔粘性結晶に着目し、(1)プロトン伝導体を設計・合成し、３次元的に水素結合ネットワークを構築して、(2)結晶構造とプロトン伝導性（温度依存性、周波数依存性）の相関を明らかにし、その伝導機構を踏まえて(3)0.01 S/cmを超える超プロトン伝導の開拓に挑戦する予定である。
本年度は、等方回転する分子としてジメチルダブコジカチオンを、プロトン伝導部分としてリン酸アニオンを選択し、その共結晶を作製して、結晶構造解析、プロトン伝導測定を行った。その結果、ジメチルダブコが２次元ネットワークを形成し、その空孔にジメチルダブコが存在することが明らかとなった。また、プロトン伝導度は、室温から温度上昇とともに減少し、330Kを境に増加する興味深い振る舞いが見出された。
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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
２次元水素結合ネットワークを形成するジメチルダブコ・リン酸の共結晶の単結晶を作製し、そのプロトン伝導度の温度依存性、方向依存性を測定した。その結果、温度上昇とともに、330K付近で、プロトン伝導性が減少から増加に転じる興味深い振る舞いを観測することに成功している。
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| 今後の研究の推進方策 |
具体的には以下の手法で研究を推進する。
（１）ジメチルダブコ・リン酸今日単結晶における330Kの興味深い振る舞いが分子運動と相関するかを調べ、
（２）さらに、その成果を踏まえて3 次元回転運動を行う四面体あるいは球状の酸と塩基を選択し、柔粘性結晶となるプロトン伝導体を設計し、系統的にpKaを変化させながら合成および熱分析測定を行い、
（３）各プロトン伝導体のX 線結晶構造解析を行い、プロトン伝導の温度依存性と周波数依存性を測定して、物性と構造の相関を調べ、
（４）伝導機構を踏まえて、室温で0.01 S/cm 以上の超プロトン伝導獲得に挑む。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
対象となる無水有機プロトン伝導体の探索、特に合成のために、試薬、ガラス器具の費用を予定していた。しかしながら、最初に合成したジメチルダブコ・リン酸塩において、室温からの温度上昇とともに、プロトン伝導度が低くなり、330K付近を境に、伝導度が上昇するなどの興味深い異常が観測された。まずは、その現象を明らかにするために、物質探索を休止したので、消耗品費に残余が出た。今後、その異常現象が明らかにし、その結果を物質探索の戦略に生かして、次年度以降に消耗品の予算を使用する予定である。
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