多様な配位多面体による新型イオン伝導体の創製

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K20293
• 配分区分: 基金
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 八島 正知 東京工業大学, 理学院, 教授 (00239740)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2021-03-31
• 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

研究実績の概要

イオンが移動するときのエネルギー障壁は陽イオンのネットワークである程度決まるため，高いイオン移動度は，蛍石型(8配位:立方体)やペロブスカイト型(6配位:八面体)など特定の結晶構造型と配位多面体で発現する．殆どのイオン伝導体は偶然発見されてきたが，本研究課題では，膨大な既存の結晶構造データからリング構造や5配位や7配位，複数の混合配位など今までイオン伝導体として注目されてこなかった物質群を抽出し，候補物質を高速スクリーニングし，従来注目されてこなかった配位多面体やリング構造によるイオン伝導を示す，新型イオン伝導体を探索することを目的としている．また，そのような珍しい配位多面体を有するイオン伝導体の伝導機構を明らかにすることも目的としている．
今年度は層状ペロブスカイトを中心に探索した．結合原子価法により酸化物イオンが移動するエネルギー障壁を計算した結果，エネルギー障壁が比較的低い候補化合物がいくつか見いだされた．そこで，実際に試料を固相反応法で合成し，構造解析を行った．その結果，4配位と6配位が混合することにより高速酸化物イオン伝導を実現する新物質を発見した．この成果は高く評価され, Nature Comm.に掲載された．伝導度が高い上に，還元雰囲気下でも安定で電子伝導を殆ど示されていない．このように特異な配位多面体や構造の新型イオン伝導体を発見したこと，また，特異な配位多面体を介したユニークなイオン伝導機構を解明したことから本課題は大きな成功を収めたと考えられる.

研究成果

• [国際共同研究] Imperial College London/ISIS(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Imperial College London/ISIS
• [国際共同研究] ANSTO(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: ANSTO
• [雑誌論文] Ionic conduction mechanism in Ca-doped lanthanum oxychloride (2021)
  • 著者名/発表者名: Shitara Kazuki、Kuwabara Akihide、Hibino Keisuke、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Hester James R.、Umeda Masanori、Nunotani Naoyoshi、Imanaka Nobuhito
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 50 ページ: 151～156
  • DOI: 10.1039/d0dt02502j
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-temperature proton conductors based on the (110) layered perovskite BaNdScO4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiraiwa Masahiro、Kido Takafusa、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 9 ページ: 8607～8619
  • DOI: 10.1039/D0TA11573H
  • 査読あり
• [雑誌論文] 新しい燃料電池材料の探索,構造とイオン伝導性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 八島正知
  • 雑誌名: Fine ceramics report 巻: 39 ページ: 6-10
• [雑誌論文] Hydride-based antiperovskites with soft anionic sublattices as fast alkali ionic conductors (2021)
  • 著者名/発表者名: Gao Shenghan、Broux Thibault、Fujii Susumu、Tassel Cedric、Yamamoto Kentaro、Xiao Yao、Oikawa Itaru、Takamura Hitoshi、Ubukata Hiroki、Watanabe Yuki、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Kuwabara Akihide、Uchimoto Yoshiharu、Kageyama Hiroshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20370-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High oxide-ion conductivity through the interstitial oxygen site in Ba7Nb4MoO20-based hexagonal perovskite related oxides (2021)
  • 著者名/発表者名: Yashima Masatomo、Tsujiguchi Takafumi、Sakuda Yuichi、Yasui Yuta、Zhou Yu、Fujii Kotaro、Torii Shuki、Kamiyama Takashi、Skinner Stephen J.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20859-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Protonic Conduction in the BaNdInO4 Structure Achieved by Acceptor Doping (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhou Yu、Shiraiwa Masahiro、Nagao Masanori、Fujii Kotaro、Tanaka Isao、Yashima Masatomo、Baque Laura、Basbus Juan F.、Mogni Liliana V.、Skinner Stephen J.
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 33 ページ: 2139～2146
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c04828
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ternary carbodiimide compound, Ba0.9Sr0.1NCN with distorted rutile-type structure (2021)
  • 著者名/発表者名: Masubuchi Yuji、Miyazaki Suzuka、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Miura Akira、Higuchi Mikio
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 296 ページ: 122000～122000
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2021.122000
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cation- and anion-ordered rutile-type derivative LiTeO3(OH) (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujii Kotaro、Yoshida Yume、Shan Yue Jin、Tezuka Keitaro、Inaguma Yoshiyuki、Yashima Masatomo
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 ページ: 10042～10045
  • DOI: 10.1039/D0CC04074F
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis, structure, and luminescence properties of layered oxychloride Ba3Y2O5Cl2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwasa Yuki、Su Yu、Tsuchiya Yoshinori、Tatsuda Makoto、Kishio Kohji、Yanagida Takayuki、Takada Fumi、Nishio Taichiro、Tsujimoto Yoshihiro、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Ogino Hiraku
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 8 ページ: 17162～17168
  • DOI: 10.1039/D0TC04415F
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dion-Jacobson-type oxide-ion conductor CsLa2Ti2NbO10-δ without phase transitions (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhang Wenrui、Fujii Kotaro、Ishiyama Tomohiro、Kandabashi Harue、Yashima Masatomo
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 8 ページ: 25085～25093
  • DOI: 10.1039/D0TA06135B
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Catalytic Activity of Crystalline Lithium Calcium Silicate for Oxidative Coupling of Methane Originated from Crystallographic Joint Effects of Multiple Cations (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Tomohiro、Saito Miwa、Ishikawa Satoshi、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Ueda Wataru、Motohashi Teruki
  • 雑誌名: ChemCatChem 巻: 12 ページ: 1968～1972
  • DOI: 10.1002/cctc.201902241
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Proton Conductivity in Ba5Er2Al2ZrO13, a Hexagonal Perovskite-Related Oxide with Intrinsically Oxygen-Deficient Layers (2020)
  • 著者名/発表者名: Murakami Taito、Hester James R.、Yashima Masatomo
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 ページ: 11653～11657
  • DOI: 10.1021/jacs.0c02403
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Two‐Dimensional Perovskite Oxynitride K2LaTa2O6N with an H+/K+ Exchangeability in Aqueous Solution Forming a Stable Photocatalyst for Visible‐Light H2 Evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Oshima Takayoshi、Ichibha Tom、Oqmhula Kenji、Hibino Keisuke、Mogi Hiroto、Yamashita Shunsuke、Fujii Kotaro、Miseki Yugo、Hongo Kenta、Lu Daling、Maezono Ryo、Sayama Kazuhiro、Yashima Masatomo、Kimoto Koji、Kato Hideki、Kakihana Masato、Kageyama Hiroshi、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: Angewandte Chemie 巻: 132 ページ: 9823～9830
  • DOI: 10.1002/ange.202002534
  • 査読あり
• [雑誌論文] Responsive Four‐Coordinate Iron(II) Nodes in FePd(CN)4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Ohtani Ryo、Matsunari Hiromu、Yamamoto Takafumi、Kimoto Koji、Isobe Masaaki、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Fujii Susumu、Kuwabara Akihide、Hijikata Yuh、Noro Shin‐ichiro、Ohba Masaaki、Kageyama Hiroshi、Hayami Shinya
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 59 ページ: 19254～19259
  • DOI: 10.1002/anie.202008187
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of Three-Layer Perovskite Oxynitride K2Ca2Ta3O9N・2H2O and Photocatalytic Activity for H2 Evolution under Visible Light (2020)
  • 著者名/発表者名: Tang Ya、Kato Kosaku、Oshima Takayoshi、Mogi Hiroto、Miyoshi Akinobu、Fujii Kotaro、Yanagisawa Kei-ichi、Kimoto Koji、Yamakata Akira、Yashima Masatomo、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 59 ページ: 11122～11128
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c01607
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-crystal growth, structure and luminescence properties of Cs2HfCl3Br3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kodama Shohei、Kurosawa Shunsuke、Fujii Kotaro、Murakami Taito、Yashima Masatomo、Pejchal Jan、Kral Robert、Nikl Martin、Yamaji Akihiro、Yoshino Masao、Toyoda Satoshi、Sato Hiroki、Ohashi Yuji、Kamada Kei、Yokota Yuui、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: 106 ページ: 109942～109942
  • DOI: 10.1016/j.optmat.2020.109942
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis and Photoluminescence Properties of Rare-Earth-Activated Sr3-xAxAlO4H (A = Ca, Ba; x = 0, 1): New Members of Aluminate Oxyhydrides (2020)
  • 著者名/発表者名: Wu Tong、Fujii Kotaro、Murakami Taito、Yashima Masatomo、Matsuishi Satoru
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 59 ページ: 15384～15393
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c02356
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strain-induced creation and switching of anion vacancy layers in perovskite oxynitrides (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Takafumi、Chikamatsu Akira、Kitagawa Shunsaku、Izumo Nana、Sun Wenhao、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Brown Craig M.、Honda Takashi、Ikeda Kazutaka、Otomo Toshiya、Kuroki Kazuhiko、Ishida Kenji、Mori Takao、Kimoto Koji、Hasegawa Tetsuya、Kageyama Hiroshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19217-7
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Preparation and thermal stability of oxynitride perovskite solid solution Sr1-xLaxTa1-xTixO2N (2020)
  • 著者名/発表者名: Masubuchi Yuji、Ohtaki Sota、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Higuchi Mikio、Kikkawa Shinichi
  • 雑誌名: Journal of the European Ceramic Society 巻: 40 ページ: 6288～6292
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2019.10.004
  • 査読あり
• [学会発表] 新型酸化物イオン-プロトン伝導体の発見 (2021)
  • 著者名/発表者名: 八島正知
  • 学会等名: 第11回複合アニオンウェブセミナー
• [学会発表] イオン伝導体および複合アニオン化合物の新材料探索と構造物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤井孝太郎，村上泰斗，八島正知，萩原雅人，鳥居周輝，齊藤高志，神山崇，池田一貴，大友 季哉，大原高志
  • 学会等名: 2020年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] 高酸化物イオン伝導体Ba7Nb4MoO20 系材料の発見とイオン拡散機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 八島 正知，辻口 峰史，作田 祐一，安井 雄太，藤井 孝太郎，村上 泰斗，柴田 稔也，鳥居 周輝，神山 崇，Zhou Yu，Skinner Stephen J.
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] 層状ペロブスカイト型酸塩化物の酸化物イオン伝導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 矢口寛, 藤井孝太郎, 土屋佳則, 荻野拓, 辻本吉廣, 八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05の高い酸化物イオン伝導度とイオン拡散経路 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安井 雄太, 辻口 峰史, 作田 祐一, 藤井 孝太郎, Yu Zhou, Stephen J. Skinner, 鳥居 周輝, 神山 崇, 八島 正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] Ba3WVO8.5 系材料の酸化物イオン伝導と高温での結晶構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菊地 優冴, 安井 雄太, 藤井 孝太郎, 村上 泰斗, 八島 正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] Dion-Jacobson型酸化物イオン伝導体CsBi2Ti2NbO10-δのLa添加による相転移の抑制 (2021)
  • 著者名/発表者名: 神田橋治恵, 張文鋭, 村上泰斗, 藤井孝太郎, 八島正知, 稲熊宜之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] 高イオン伝導体Rb5Gd(MoO4)4の発見 (2021)
  • 著者名/発表者名: 城島一暁, 藤井孝太郎, 村上泰斗, 八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] 六方ペロブスカイト関連酸化物Ba7Nb4－xWxMoO20+δの結晶構造と酸化物イオン伝導度 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木雄貴, 藤井孝太郎, 村上泰斗, 八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] La1-xSrxO(1-x)/2F2の合成と電気伝導度の向上 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中真祐, 藤井孝太郎, 村上泰斗, 日比野圭佑, 八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] 新物質Ba6Ga4Y2O15の発見と酸化物イオン-プロトン混合伝導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 齊藤 馨, 安井 雄太, 藤井 孝太郎, 村上 泰斗, 八島 正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] 新物質Ba2LuAlO5の発見と電気伝導性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森川里穂，村上泰斗，藤井孝太郎，八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] 新規酸化物イオン-プロトン混合伝導性Ba7Nb4MoO20関連材料の発見 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柴田 稔也，村上 泰斗，安井 雄太，藤井 孝太郎，八島 正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] Material Exploration and Diffusion Mechanism of New Ion Conductors by Bond-Valence Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Masatomo Yashima, Kotaro Fujii, Taito Murakami, Wenrui Zhang, Masahiro Shiraiwa, Hiroshi Yaguchi, Yuta Yasui
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会サテライトプログラム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Discovery of Dion-Jacobson-type oxide-ion conductors by screening through Bond-Valence-based energy calculations, synthesis, and characterization of structural and transport properties (2021)
  • 著者名/発表者名: Wenrui Zhang, Kotaro Fujii, Masatomo Yashima
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会サテライトプログラム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 酸化物イオン伝導体の新材料探索とイオン伝導機構の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井孝太郎，矢口寛，安井雄太，張文鋭，村上泰斗，八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] 本質的な酸素欠損層を持つ新型プロトン伝導体の発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 村上泰斗，八島正知，James R. Hester
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 新構造型酸化物イオン伝導体BaGdInO4の発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 矢口寛，藤井孝太郎，八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] 六方ペロブスカイト関連構造をもつBa3WNbO8.5-δの結晶構造と酸化物イオン伝導経路 (2020)
  • 著者名/発表者名: 安井雄太，八島正知，藤井孝太郎，村上泰斗，辻口峰史，James R. Hester，木本浩司，柳澤圭一
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] 新酸化物イオン伝導体Ba3WVO8.5系化合物の発見とWドープによる伝導度向上 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菊地優冴，八島正知，藤井孝太郎，村上泰斗
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] 層状ペロブスカイト型Ba7Nb4MoO20系材料の結晶構造と電気伝導 (2020)
  • 著者名/発表者名: 作田祐一，藤井孝太郎，村上泰斗，八島正知，James R. Hester
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] 酸化物イオン伝導体BaNdInO4における単斜-直方相転移の発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 志賀仁美，藤井孝太郎，村上泰斗，白岩大裕，矢口寛，神山崇，八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] La添加によるDion-Jacobson型酸化物イオン伝導体CsBi2Ti2NbO10の相転移の抑制 (2020)
  • 著者名/発表者名: 神田橋治恵，張文鋭，村上泰斗，藤井孝太郎，八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] La1-xSrxO(1-x)/2F2の合成と電気伝導度の向上 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中真祐，藤井孝太郎，村上泰斗，日比野圭佑，八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] W ドーピングによる六方ペロブスカイト関連酸化物 Ba7Nb4MoO20の酸化物イオン伝導度の向上 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴木雄貴，藤井孝太郎，村上泰斗，八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] Dion-Jacobson型酸化物イオン伝導体CsBi2Ti2NbO10-δの発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 張文鋭，藤井孝太郎，萩原雅人，神山崇，八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] Ba3WVO8.5系酸化物イオン伝導体の電気伝導と結晶構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菊地優冴，藤井孝太郎，村上泰斗，八島正知
  • 学会等名: 第36回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
• [学会発表] 層状ペロブスカイト型 Ba7Nb4MoO20 系材料の結晶構造と電気伝導 (2020)
  • 著者名/発表者名: 作田祐一，藤井孝太郎，村上泰斗，八島正知，James R. Hester
  • 学会等名: 第36回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
• [学会発表] Wドーピングによる六方ペロブスカイト関連酸化物 Ba7Nb4MoO20の酸化物イオン伝導度の向上 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴木雄貴，藤井孝太郎，村上泰斗，八島正知
  • 学会等名: 第36回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
• [学会発表] 六方ペロブスカイト関連構造をもつBa3WNbO8.5-δの結晶構造解析と酸化物イオン伝導経路の可視化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 安井雄太，藤井孝太郎，村上泰斗，辻口峰史，James R. Hester，八島正知
  • 学会等名: 日本結晶学会令和２年度年会
• [学会発表] 新構造型酸化物イオン伝導体BaGdInO4の発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 矢口寛，藤井孝太郎，八島正知
  • 学会等名: 日本結晶学会令和２年度年会
• [学会発表] Ba7Nb4MoO20系材料の電気伝導と結晶構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 作田祐一，辻口峰史，安井雄太，藤井孝太郎，村上泰斗，鳥居周輝，神山崇，James R. Hester，八島正知
  • 学会等名: 日本結晶学会令和２年度年会
• [学会発表] 複合アニオン化合物の構造解析と構造物性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 八島正知，藤井孝太郎，村上泰斗
  • 学会等名: 第八回複合アニオンウェブセミナー
• [学会発表] Ba3WVO8.5系材料の酸化物イオン伝導と結晶構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菊地優冴，八島正知，藤井孝太郎，村上泰斗
  • 学会等名: 第46回固体イオニクス討論会
• [図書] 複合アニオン化合物の科学 (2021)
  • 著者名/発表者名: 八島 正知
  • 総ページ数: 264
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 978-4-621-30610-9
• [備考] 希土類を含まない世界最高クラスの酸素イオン伝導体を発見 燃料電池・センサー・電子材料等の開発を加速
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2021/048839.html
• [備考] ソフトな陰イオンをもつ逆ペロブスカイト化合物で高速イオン伝導を達成
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2021/048758.html
• [備考] 原子空孔の配列を制御する新手法の発見
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2020/048283.html
• [備考] 最高水準の伝導度を示す新型プロトン伝導体を発見
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2020/047117.html