| 研究課題/領域番号 |
19H00821
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
八島 正知 東京工業大学, 理学院, 教授 (00239740)
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| 研究分担者 |
高垣 敦 九州大学, 工学研究院, 准教授 (30456157)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | イオン伝導体 / 結晶構造解析 / 中性子回折 / 結合原子価法 / 新物質探索 |
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| 研究実績の概要 |
本課題では，過去に検討がなされていない数多くの物質群について，構造マップ，結合原子価法などを駆使して新奇な結晶構造を持つ候補を探索した．有望な候補物質を合成，酸化物イオン伝導，プロトン伝導，蛍光特性などの物性と結晶構造を実験で調べ，優れた特性を示す新構造ファミリーを探索して発見することを目的としている．また，発見した材料の結晶構造と物性の関係を解明することも目的としている．2020年度の主な研究実績は，①高いプロトン伝導度を示す材料をいくつか発見したこと，②相転移を示さない新しいDion-Jacobson化合物を発見したこと，③世界最高クラスの酸化物イオン伝導体である六方ペロブスカイト関連酸化物を発見し，酸化物イオン伝導性と結晶構造の関係を解明したことである．無機結晶構造データベース（Inorganic Crystal Structure Database: ICSD）に登録されている．Dion-Jacobson相に関する結晶学データに対して，結合原子価法によるスクリーニングを実施した．そしてDion-Jacobson相では初めての相転移を示さない酸化物イオン伝導体（酸素イオン伝導体，あるいはO2－伝導体ともいう）CsLa2Ti2NbO10－δを発見した．さらに酸化物イオン伝導度（酸素イオン伝導度ともいう）が高くなる高温での結晶構造や，酸化物イオンの拡散経路の解明により，この新しい酸化物イオン伝導体が示す高いイオン伝導度の発現機構を明らかにした．得られた成果はNature Comm, J. Mater. Chem. Aなどの一流誌に出版された．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本課題では，過去に検討がなされていない数多くの物質群について，構造マップ，結合原子価法などを駆使して新奇な結晶構造を持つ候補を探索するという独自の手法を駆使することによって,いくつかの新イオン伝導体の発見に至ったものである.
Dion-Jacobson相では初めての相転移を示さない酸化物イオン伝導体（酸素イオン伝導体、あるいはO2－伝導体ともいう）CsLa2Ti2NbO10－δを発見した.さらに酸化物イオン伝導度（酸素イオン伝導度ともいう）が高くなる高温での結晶構造や,酸化物イオンの拡散経路の解明により,この新しい酸化物イオン伝導体が示す高いイオン伝導度の発現機構を明らかにした.高温かつ広い酸素分圧範囲で,この新型イオン伝導体は安定であることがわかった.また、世界最高クラスの伝導度を示す層状ペロブスカイト化合物を発見して英国の科学雑誌Nature Communicationsに電子版として掲載された.また,2021年3月の日本セラミックス協会の年会でトピックス講演に選出された.また,科学新聞でも記事として取り上げられた.さらに（１１０）層状ペロブスカイトでは初めてとなるプロトン伝導体を発見,他にも高プロトン伝導体を発見した.
以上の理由より,研究は当初の計画以上に進展しているといえる.
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き,有望な候補物質を合成，酸化物イオン伝導，プロトン伝導，蛍光特性などの物性と結晶構造を実験で調べ，優れた特性を示す新構造ファミリーを探索していく．今まで材料として注目されてこなかった物質群を抽出し，構造マップ，結合原子価等により候補物質を高速スクリーニングして，新奇な配位多面体による新型材料(イオン伝導体，光触媒，蛍光体)をデザイン・探索・発見することを第1の目的とする．また，構造マップで未知領域の新物質(化学組成領域)の合成に果敢に挑戦し，新物質 と機能を開拓することを第2の目的としている．
また，発見した材料の結晶構造と物性の関係を解明していく.世界最高クラスのプロトン伝導度を示す新型プロトン伝導体を発見しつつあるので,中性子回折や電気伝導度の水蒸気分圧依存性や熱重量も検討する.特に,中性子回折により水素（プロトン）の位置と熱振動を調べることが重要である.これらプロトン伝導体および発見した世界最高クラスの酸化物イオン伝導体の類縁物質を探索して,より優れたプロトン伝導体および酸化物イオン伝導体の発見を目指す.発見した新物質について,電気伝導度の温度および酸素分圧依存性および水蒸気分圧依存性,高温X線回折と中性子回折による高温における結晶構造とその変化および相転移について調べ,新しい構造科学分野を切り開いていきたい.
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