2020 Fiscal Year Research-status Report
Exploring new layered compounds by designing synthesis reactions
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20KK0124
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
三浦 章 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (10603201)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤岡 正弥 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (40637740)
後藤 陽介 東京都立大学, 理学研究科, 助教 (60760783)
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| Project Period (FY) |
2020-10-27 – 2024-03-31
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| Keywords | 固相反応 / 合成設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、日本・アメリカ・イギリスの若手研究者による国際共同研究であり、論理的な合成反応設計に基づく多元系層状化合物の探索により新規エネルギー材料の創出を目指すものである。
本年度は論理的な合成設計の第一歩として、ミシガン大学のSun博士らと既知化合物の固相合成反応過程を調査を行った。具体的には1987年に発見された高温超伝導体YBa2Cu3O6+x（通称YBCO(ワイビーシーオー)）の合成反応の調査を行った。YBa2Cu3O6+xは，酸化イットリウム(Y2O3)，炭酸バリウム(BaCO3), 酸化銅(CuO)の粉末混合物を800-1000度に加熱することで合成さる。炭酸バリウムを用いた合成反応では，YBCOの合成に十時間以上の長時間の加熱が必要であった。第一原理計算は炭酸バリウムと他の化合物の反応エネルギーは小さいことを示し，放射光X線回折でも短時間では反応が進行しないことが確かめられた。一方，炭酸バリウム(BaCO3)の代わりに過酸化バリウム(BaO2)に置き換えると，30分以内にYBCOが生成した。過酸化バリウムを用いた反応における最初の反応は，熱力学的駆動力が最も大きい粉末の組み合わせから反応が進行することが明らかになった。実際に，過酸化バリウムと酸化銅の組み合わせで反応が進行することが，その場X線回折と電子顕微鏡観察で確かめられた。高温でのYBCOが生成する反応では反応エネルギーが小さく，物質拡散が重要になる。バリウム，銅と酸素と構成される中間生成物が溶融して酸化イットリウムと反応することで，YBCOが短時間で生成することが明らかになりました。このように複雑なセラミックスを合成する反応を，２相間の逐次的な反応に分けて考えることで、固相反応全体を理解することが可能になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
コロナウイルスの影響で予定していた海外渡航は行えていないが、インターネットによるディスカッションを行うことで、研究は順調に進行している。論理的な合成反応設計の第一歩として、既知化合物の合成経路を可視化し、部分的に予想しうる計算モデルを提案した。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度前半はコロナウイルスの影響で引き続き海外への渡航は困難であると予想しているため、引き続きインターネットでのディスカッションを通じて研究を遂行する予定である。来年度は、速度論的な反応を予測しうるモデルや新規化合物の創出を目指す予定である。
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| Causes of Carryover |
コロナウイルスの影響で海外渡航ができなかったため、来年度に予算を繰り越した。
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[Journal Article] Observing and modeling the sequential pairwise reactions that drive solid-state ceramic synthesis2021
Author(s)
Akira Miura, Christopher J. Bartel, Yusuke Goto, Yoshikazu Mizuguchi, Chikako Moriyoshi, Yoshihiro Kuroiwa, Yongming Wang, Toshie Yaguchi, Manabu Shirai, Masanori Nagao, Nataly Carolina Rosero-Navarro, Kiyoharu Tadanaga, Gerbrand Ceder, Wenhao Sun
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Journal Title
Advanced Materials
Volume: -
Pages: -
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] YBa2Cu3O7-x の固相合成を視て理解する2020
Author(s)
三浦 章, Christopher J. Bartel, 後藤 陽介, 水口 佳一, 森吉 千佳, 黒岩 芳弘, Yongming Wang, 矢口 紀恵, 白井 学, 長尾 雅則, Nataly Carolina Rosero-Navarro, 忠永清治, Gerbrand Ceder, Wenhao Sun
Organizer
第14回物性科学領域横断研究会
