2024-08-06 東北大学
多元物質科学研究所 教授 芥川 智行 助教 出倉 駿
【発表のポイント】
- 有機材料中の水分を含まない無加湿プロトン（H+：水素イオン）伝導性にキラルな分子（右手・左手のような鏡像関係にある非対称な分子）が与える影響を初めて解明しました。
- 右手型または左手型分子のみから作られる結晶では分子運動性がより高効率に生じることを示しました。
- 右手型または左手型分子のみの結晶中の高効率な分子運動により高効率な無加湿プロトン伝導を実現しました。無加湿燃料電池（注1）のさらなる性能向上への指針として期待できます。
【概要】
水素はCO2（二酸化炭素）排出ゼロのエネルギー源として期待され、燃料電池の固体電解質（注2）として注目されています。従来の研究では、有機材料中の分子運動やプロトン伝導性に対する右手・左手の鏡像関係にある分子がもたらす非対称性（キラリティ（注3））の効果については明らかになっていませんでした。
東北大学多元物質科学研究所の研究グループは、キラル分子の運動性が乏しい1,2,3-トリアゾール塩では、左手型（または右手型）分子のみを含む「ホモキラル結晶」の方がアゾール分子の回転運動が活発で、無加湿プロトン伝導度（注4）も高いことを明らかにしました。一方、キラル分子の運動性が活発なイミダゾール塩ではキラリティの影響は見られず、結晶のキラリティ（非対称性）が分子運動により平均化されずに保持されていることが重要であることが示されました。人体の生命活動が右手型のみのアミノ酸によって効率的に行われているのと同様に、本研究のプロトン伝導体に関しても、キラリティの保持が効率の向上に重要であると考えられます。本成果はホモキラルな環境が高効率なプロトン伝導体の設計に利用可能であることを示しており、燃料電池のさらなる性能向上が期待できます。
本研究の成果は米国現地時間の2024年7月31日、科学誌Journal of the American Chemical Societyにてオンライン掲載されました。
なお本成果は、東北大学多元物質科学研究所の佐藤千慧大学院生（大学院工学研究科）と出倉駿助教および芥川智行教授、同 三部宏平大学院生（研究当時）、株式会社リガクの佐藤寛泰氏、信州大学の武田貴志准教授、金沢大学の水野元博教授と栗原拓也助教、早稲田大学の谷口卓也准教授、北海道大学の中村貴義教授と呉佳冰助教らの共同研究によるものです。
図1．本研究で用いたアゾール分子およびキラルなカンファースルホン酸分子の化学構造。
【用語解説】
注1．無加湿燃料電池：本稿における燃料電池は、水素ガスと空気中の酸素から化学反応によって直接電気エネルギーを取り出す「水素燃料電池」のことを指します。水素と酸素の反応によって水のみが排出されるため、環境に優しい動力源として注目されています。従来の高分子型電解質は外部から加湿によって供給される水分子を媒介として水素イオン（＝プロトン）が伝導します。しかし水が沸騰・脱離する100℃以上では利用できない問題があります。水を用いない燃料電池を無加湿燃料電池と言い、100℃以上の中温域でも利用できるため、廃熱の有効利用や発電効率の向上、加湿器が不要なため装置の構造が単純で小型になること等が期待されています。
注2.固体電解質：物質の内部に電気（電子）を流さずイオンを流す固体材料を指します。水素イオン（H+：プロトン）の電解質は「プロトン伝導体」とも呼ばれます。
注3. キラリティ：右手と左手のように互いに鏡像の関係にある分子の組をキラルな分子と呼び、そのような性質をキラリティといいます。
注4.プロトン伝導度：物質中におけるプロトンの流れやすさの指標であり、通常は単位時間あたりに単位面積を通過するプロトンの個数によって評価します。固体電解質のプロトン伝導度が高いほど、高効率な燃料電池が実現できます。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
教授 芥川 智行（あくたがわ ともゆき）
助教 出倉 駿（でくら しゅん）
（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
