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2023 Fiscal Year Annual Research Report

光応答性部位の相乗効果により高い光スイッチング特性を発現するプロトン伝導体の構築

Research Project

Project/Area Number 22K20555
Research InstitutionJapan Advanced Institute of Science and Technology

Principal Investigator

青木 健太郎  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (00963810)

Project Period (FY) 2022-08-31 – 2024-03-31
Keywords光誘起イオン伝導度スイッチング / プロトン伝導 / 協奏効果 / 水素結合 / 固体イオニクス / 単結晶X線回折測定 / 活性化エネルギー / 結晶構造
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、光応答性部位を複合的に導入した金属錯体を構築し、光応答性部位の異性化を協奏的に作用させて高いイオン伝導度スイッチングを達成する。またその機構解明を通して、高いオン・オフ比を示す光誘起イオン伝導度スイッチング材料の設計指針を確立することを目的としている。
今年度は昨年度に引き続き、二つの光応答性部位のイオン伝導への協奏的作用により発現した10^5のイオン伝導度スイッチングについて、その機構を考察した。この錯体はプロトンキャリアである硫酸水素イオンを対アニオンに有する系でありながら、光照射前のイオン伝導度は加湿下でも10^-7 S/cm以下と低かった。この原因を単結晶X線回折測定から得た結晶構造から考察した。その結果、結晶中の硫酸水素イオンは光応答性部位と多点で強く水素結合してトラップされ、回転運動によるプロトン授受が抑制されているためにイオン伝導度が低いことが分かった。また、プロトン伝導の活性化エネルギーも含めて考えると、二つの光応答性部位を同時に異性化すると、硫酸水素イオンの回転運動のトラップが解けるとともに水素結合ネットワークが形成され、プロトンがGrotthuss機構で伝導して高いイオン伝導度が発現することが示唆された。また、対アニオンや金属イオンを変えた対照実験群の結晶構造やイオン伝導度を比較した結果、光照射前の硫酸水素イオンの回転運動のトラップが高いイオン伝導度スイッチングに重要であることを明らかとした。さらに、この錯体の結晶性薄膜を作成してイオン伝導度を検討した結果、バルク粉末と同程度の高いイオン伝導度スイッチングを示し、バルク粉末よりも高速応答および長期作動が可能であることを見出した。また、結晶性薄膜の作成条件を精査する過程で、薄膜作成時の湿度環境が薄膜の結晶性やその配向に大きく影響することを実証した。

  • Research Products

    (24 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 6 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] Shahjalal University of Sci. and Tech.(バングラデシュ)

    • Country Name
      BANGLADESH
    • Counterpart Institution
      Shahjalal University of Sci. and Tech.
  • [Int'l Joint Research] University of Technology Malaysia(マレーシア)

    • Country Name
      MALAYSIA
    • Counterpart Institution
      University of Technology Malaysia
  • [Journal Article] Influence of Humidity on Layer-by-Layer Growth and Structure in Coordination Networks2024

    • Author(s)
      Aoki Kentaro、Matsuzawa Toshitaka、Suetsugu Kota、Hara Mitsuo、Nagano Shusaku、Nagao Yuki
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 15 Pages: 6674~6682

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.3c04526

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] n-n heterojunction CdS/FST photoanode for enhanced photoelectrochemical water splitting2024

    • Author(s)
      Sawal M.H.、Jalil A.A.、Abdullah T.A.T.、Hassan N.S.、Bahari M.B.、Izzudin N.M.、Jusoh N.W.C.、Nagao Y.、Aoki Kentaro、Chong M.N.、Rajendran Saravanan
    • Journal Title

      International Journal of Hydrogen Energy

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2024.03.215

  • [Journal Article] Electrochemical Reduction of CO2 by the SnS| PTFE| Pt Surface in an Aqueous Imidazole Medium: Catalysis and Kinetics2024

    • Author(s)
      Islam Md. Tarikul、Hossain Mohammad Imran、Aoki Kentaro、Nagao Yuki、Hasan Md. Mahmudul、Rahaman Mostafizur、Aldalbahi Ali、Hasnat Mohammad A.
    • Journal Title

      ACS Applied Energy Materials

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1021/acsaem.3c03142

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] IrOx-Pt electrode for the electro-oxidation of ethanol in alkaline-type direct ethanol fuel cells: an excellent CO-tolerant catalyst2023

    • Author(s)
      Islam Md. Fahamidul、Ahmed Jahir、Faisal M.、Algethami Jari S、Aoki Kentaro、Nagao Yuki、Harraz Farid A.、Hasnat Mohammad A.
    • Journal Title

      New Journal of Chemistry

      Volume: 47 Pages: 18933~18944

    • DOI

      10.1039/D3NJ03306F

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Development of CuNi immobilized Pt surface to minimize nitrite evolution during electrocatalytic nitrate reduction in neutral medium2023

    • Author(s)
      Nurnobi Islam Md.、Ahsan Mohebul、Aoki Kentaro、Nagao Yuki、Alsafrani Amjad E.、Marwani Hadi M.、Almahri Albandary、Rahman Mohammed M.、Hasnat Mohammad A.
    • Journal Title

      Journal of Environmental Chemical Engineering

      Volume: 11 Pages: 111149

    • DOI

      10.1016/j.jece.2023.111149

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Kinetics of Electrocatalytic Oxidation of Gallic Acid by Activated Glassy Carbon Electrode in Acidic Medium2023

    • Author(s)
      Siddika Munira、Ahmed Jahir、Aoki Kentaro、Faisal M.、Algethami Jari S.、Harraz Farid A.、Nagao Yuki、Hasnat Mohammad A.
    • Journal Title

      ChemistrySelect

      Volume: 8 Pages: e20230207

    • DOI

      10.1002/slct.202302074

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction on CuO Immobilized Stainless‐Steel Electrode Prepared by the SILAR Method2023

    • Author(s)
      Islam Md. Nurnobi、Ahmed Jahir、Faisal Mohd、Algethami Jari S、Aoki Kentaro、Nagao Yuki、Harraz Farid A.、Hasnat Mohammad A.
    • Journal Title

      ChemistrySelect

      Volume: 8 Pages: e202301077

    • DOI

      10.1002/slct.202301077

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光照射による多段階かつ高いプロトン伝導度スイッチング材料の構築2024

    • Author(s)
      青木健太郎, 長尾祐樹
    • Organizer
      第71回応用物理学会 春季学術講演会
  • [Presentation] スルホン化ポリイミドのリチウムイオン伝導性と界面構造2024

    • Author(s)
      長尾祐樹, 青木健太郎, Athchaya Suwansoontorn, 原光生, 生田聖也, 宮﨑司, 宮田登, 青木裕之, Attila Taborosi, 古山通久,永野修作,山本勝宏
    • Organizer
      第71回応用物理学会 春季学術講演会
  • [Presentation] Construction of a light-induced multi-step ion conductivity switching material and elucidation of its mechanism2024

    • Author(s)
      Kentaro Aoki, Yuki Nagao
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
  • [Presentation] 中性子反射率法を用いたスルホン化ポリイミド薄膜の界面構造2024

    • Author(s)
      長尾祐樹, 青木健太郎, 生田聖也, 宮﨑司, 宮田登, 青木裕之, AttilaTaborosi, 古山通久, 永野修作, 山本勝宏
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
  • [Presentation] ナフタレンテトラカルボン酸無水物の位置異性体を用いたリチウムイオン伝導性スルホン化ポリイミドの合成と物性2024

    • Author(s)
      山口祐樹 , 青木健太郎 , 生田聖也 , 是津信行 , 長尾祐樹
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
  • [Presentation] ナフタレンテトラカルボン酸無水物の位置異性体を用いたスルホン化ポリイミドの合成2023

    • Author(s)
      山口祐樹, 青木健太郎, 生田聖也, 長尾祐樹
    • Organizer
      2023年度 北陸地区講演会と研究発表会
  • [Presentation] リチウム伝導性脂環式スルホン化ポリイミドの合成と物性2023

    • Author(s)
      Yunhe Tian, 青木健太郎, 生田聖也, 長尾祐樹
    • Organizer
      2023年度 北陸地区講演会と研究発表会
  • [Presentation] リチウム型リオトロピック液晶性高分子電解質の合成およびハイパワー型リチウムイオン正極への応用2023

    • Author(s)
      生田聖也, 青木健太郎, 原光生, Marium Mayeesha, 是津信, 長尾祐樹
    • Organizer
      第72回高分子討論会
  • [Presentation] Construction of a light-induced high proton conduction switching material and its mechanism2023

    • Author(s)
      Kentaro Aoki, Yuki Nagao
    • Organizer
      錯体化学会 第73回討論会
  • [Presentation] 光応答性部位の協奏効果による高いプロトン伝導度スイッチング体の構築2023

    • Author(s)
      青木健太郎, 長尾祐樹
    • Organizer
      第17回分子科学討論会2023
  • [Presentation] 光応答性部位の協奏効果に起因した高いプロトン伝導度スイッチング体の構築と機構の解明2023

    • Author(s)
      青木健太郎, 長尾祐樹
    • Organizer
      2023年光化学討論会
  • [Presentation] Evaluation of the environment of water molecules in lyotropic liquid crystalline polymer electrolytes2023

    • Author(s)
      Yuya Inukai, Yutaro Ono, Kentaro Aoki, Yuki Nagao
    • Organizer
      13th SPSJ International Polymer Conference (IPC2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Protonic field-effect transistor with electrochemical impedance spectroscopy reveals proton transport mobility in thin film2023

    • Author(s)
      Athchaya Suwansoontorn, Kentaro Aoki, Jun Matsui, Yuki Nagao
    • Organizer
      13th SPSJ International Polymer Conference (IPC2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evaluation of the environment of water molecules in lyotropic liquid crystalline polymer electrolytes2023

    • Author(s)
      Yuya Inukai, Yutaro Ono, Kentaro Aoki, Yuki Nagao
    • Organizer
      13th International Congress on Membranes and Membrane Processes (ICOM2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電界効果を利用した電解質薄膜の移動度2023

    • Author(s)
      長尾祐樹, Athchaya Suwansoontorn, 青木健太郎, 松井淳
    • Organizer
      第72回高分子学会年次大会

URL: 

Published: 2024-12-25  

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