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2023 年度 実績報告書

新規固体電解質としてのセミクラスレートハイドレートの性能評価と伝導機構解明

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ2069
配分区分基金
研究機関大阪大学

研究代表者

嶋田 仁  大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
キーワードセミクラスレートハイドレート / プロトン伝導 / 固体電解質 / 潜熱蓄熱材 / 水分子のダイナミクス / 中性子準弾性散乱 / 平衡温度 / 分解エンタルピー
研究実績の概要

本年度は、異なるアニオン種を用いた単結晶セミクラスレートハイドレートの電気伝導率測定を行った。また、セミクラスレートハイドレート内のプロトン伝導メカニズムの解明にも取り組んだ。まず、いくつかの典型的な単結晶セミクラスレートハイドレートの電気伝導率を測定したところ、ハライドイオン(F-,Cl-,Br-)のサイズが小さくなるにつれて、プロトン伝導率は低下することを明らかにした。さらに、水酸化物イオン(OH-)をアニオンとするセミクラスレートハイドレートは、ハライド型のセミクラスレートハイドレートに比べて数桁高いプロトン伝導率を示した。核磁気共鳴法や中性子準弾性散乱測定により、セミクラスレートハイドレートを構成するアニオン種の違いは、水分子の再配向運動に及ぼす影響は小さく、主としてハイドレート構造中に生成するキャリア(プロトン)の量の差に影響を与えていると推測される。
本研究では、研究期間全体を通じて、セミクラスレートハイドレートにみられる電気伝導率の測定と、その伝導機構の解明に取り組んだ。電気伝導率測定の結果から、電荷担体はプロトンであり、ゲストイオンの種類よって、プロトン伝導率は変化する挙動が見られた。また、イオンと水分子の相互作用により、セミクラスレートハイドレートを構成する水分子のダイナミクスは局所的に活性化していることも確認した。この活性化された水分子のダイナミクスが、セミクラスレートハイドレート中のプロトン伝導を促していると考えられる。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] 固体結晶中にあるイオンまわりの水分子の挙動-水分子を用いた材料開発の新たな設計指針を提案-2024

    • 著者名/発表者名
      嶋田 仁、菅原 武、平井隆之
    • 雑誌名

      化学

      巻: 79 ページ: 33~36

  • [雑誌論文] Effects of Halide Anions on the Electrical Conductivity in Single-Crystalline Tetra-<i>n</i>-butylammonium Salt Semiclathrate Hydrates2024

    • 著者名/発表者名
      Shimada Jin、Sugahara Takeshi、Tani Atsushi、Ueda Takahiro、Tsugaya Riko、Tsunashima Katsuhiko、Hirai Takayuki
    • 雑誌名

      Energy &amp; Fuels

      巻: 38 ページ: 6471~6477

    • DOI

      10.1021/acs.energyfuels.4c00161

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quasi-elastic neutron scattering studies on fast dynamics of water molecules in tetra-<i>n</i>-butylammonium bromide semiclathrate hydrate2023

    • 著者名/発表者名
      Shimada Jin、Tani Atsushi、Yamada Takeshi、Sugahara Takeshi、Hirai Takayuki、Okuchi Takuo
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 123 ページ: 1~6

    • DOI

      10.1063/5.0157560

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermodynamic Properties of Tetra-<i>n</i>-butylammonium and Tetra-<i>n</i>-butylphosphonium Hydroxycarboxylate Semiclathrate Hydrates2023

    • 著者名/発表者名
      Minamikawa Kazuhiro、Shimada Jin、Sugahara Takeshi、Hirai Takayuki
    • 雑誌名

      Journal of Chemical &amp; Engineering Data

      巻: 68 ページ: 3492~3498

    • DOI

      10.1021/acs.jced.3c00575

    • 査読あり
  • [学会発表] セミクラスレートハイドレート結晶におけるプロトン伝導度のゲストイオン依存性2023

    • 著者名/発表者名
      嶋田仁、菅原武、谷篤史、上田貴洋、綱島克彦、平井隆之
    • 学会等名
      第32回日本エネルギー学会大会
  • [学会発表] ゲストイオンの異なるセミクラスレートハイドレートの電気伝導特性2023

    • 著者名/発表者名
      嶋田仁、菅原武、谷篤史、綱島克彦、平井隆之
    • 学会等名
      化学工学会第54回秋季大会
  • [学会発表] Proton conduction in tetra-n-butylammonium bromide semiclathrate hydrate2023

    • 著者名/発表者名
      J. Shimada, T. Sugahara, A. Tani, T. Ueda, K. Tsunashima, T. Hirai
    • 学会等名
      10th International Conference on Gas Hydrates (ICGH10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Proton conduction mechanism in TBAB semiclathrate hydrate2023

    • 著者名/発表者名
      J. Shimada, T. Sugahara, A. Tani, T. Ueda, T. Yamada, T. Okuchi, K. Tsunashima, T. Hirai
    • 学会等名
      15th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice (PCI2023)
    • 国際学会
  • [産業財産権] セミクラスレートハイドレートおよびその製造方法2023

    • 発明者名
      南川和大、嶋田 仁、菅原 武、平井隆之
    • 権利者名
      南川和大、嶋田 仁、菅原 武、平井隆之
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2023-208034

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公開日: 2024-12-25  

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