分子ダイナミクスを活用した無水有機固体超プロトン伝導体の開発

2021 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 20K15240
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分32020:機能物性化学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 出倉 駿 東京大学, 物性研究所, 特任助教 (80837948)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 水素 / 固体電解質 / 無水プロトン伝導体 / 分子性固体 / 分子ダイナミクス

研究成果の概要

本研究では、固体中分子運動と無水プロトン (H+)伝導度の関係を解明すべく、分子性イミダゾリウム (ImH+)塩単結晶を合成し、異方性を含めた無水H+伝導度と分子運動評価による伝導機構調査を行った。その結果、目標値である0.01 S/cmの伝導度は実現できなかったものの、ImH+の回転運動による伝導機構を複数の系で明らかにし、３次元的な回転運動を示す系では0.001 S/cm超の最高伝導度を実現した。一方で、ImH+を1,2,3-トリアゾリウムに置き換えた系では、H+互変異性による低障壁かつ0.001 S/cm超の高伝導性が見出され、分子運動に代わる新たな伝導機構への展開の可能性が示された。

自由記述の分野

水素機能物性

研究成果の学術的意義や社会的意義

高効率な無水有機固体プロトン伝導体は、無加湿で動作可能な次世代型燃料電池の固体電解質への応用が期待されるが、本研究の成果は顕著な分子ダイナミクスがかつてない高プロトン伝導性をもたらすことを示しただけでなく、プロトン互変異性という新たな高伝導性物質の設計指針を提示しており、実用的な固体電解質の設計指針に大きく貢献する結果である。一方、無水有機結晶中のプロトン輸送現象は、量子波動性を伴うプロトンの水素結合中移動・分子運動・プロトン脱着に伴う電子系の組み替えが協奏した基礎研究的にも重要な課題であり、本研究の成果は環境科学・材料科学のみならず物性科学などの周辺分野への波及効果が大きいと考えられる。