Ｈ‒イオンの低温高速伝導を実現

2021-06-03

2021-06-03 京都大学,分子科学研究所,大阪大学,ファインセラミックスセンター,高エネルギー加速器研究機構,Ｊ-ＰＡＲＣセンター,科学技術振興機構

ポイント

従来の戦略とは逆のアニオン秩序化で、室温から３００度までの低温域で最高のＨ^–イオンの伝導を達成
室温付近でのＨ^‒イオン伝導を利用した電気化学デバイスや新たな触媒や合成への展開が期待

京都大学アイセムス　陰山洋　連携主任研究者（兼工学研究科　教授）、同工学研究科　生方宏樹　博士後期課程２回生、ＣéｄｒｉｃＴａｓｓｅｌ　准教授、分子科学研究所（兼総合研究大学院大学）　竹入史隆　助教、小林玄器　准教授、大阪大学接合科学研究所　設樂一希　助教、ファインセラミックスセンター　桑原彰秀　主任研究員、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所　齊藤高志　特別准教授、神山崇　名誉教授らの研究グループは、負の電荷を持つ水素であるヒドリド（Ｈ^‒）イオンが、室温から３００度までの低温領域で優れた伝導を示す固体材料を発見しました。この優れたイオン伝導が、アニオン秩序による高温相（高伝導相）の低温安定化によってもたらされていることを見いだしました。

近年、複数のアニオン（陰イオン）からなる複合アニオン化合物が次世代材料として盛んに研究されています。Ｈ^‒イオンを含む酸化物、酸水素化物は触媒などの機能材料として注目を集めていますが、なかでもＨ^‒イオン伝導は高速拡散が期待されることから、激しい開発競争が行われています。しかしながら、従来の水素化物や酸水素化物では３００度以上の高温域でしか高いイオン伝導が得られておらず、電気化学デバイスなどへの応用のためには、より低温での高速伝導が望まれていました。

本研究では、電気的な相互作用が強いハードな酸化物イオン（Ｏ^２–）の代わりに、電気的な相互作用が弱いソフトなアニオンであるハロゲン（塩素、臭素、ヨウ素）を含む化合物Ｂａ_２Ｈ_３Ｘ（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）に着目したところ、２００度で１０^‒３Ｓ／ｃｍ(ジーメンス毎センチメートル)を超える高いＨ^‒イオン伝導を発見しました。関連物質との比較の結果、同物質は、アニオンが秩序化し、高い対称性の構造が低温でも維持されることで、優れたＨ^‒イオン伝導経路を与えることが分かりました。

従来、リチウムイオンを含む各種イオン伝導体では、カチオン（陽イオン）の無秩序な元素置換により乱れを導入することで、イオン伝導に有利な高対称な構造を低温で維持させる戦略がとられてきました。本研究では、ソフトなアニオンを使ったことに加え、秩序を利用するという逆のアプローチによって低温高速Ｈ^‒イオン伝導が実現されました。Ｂａ_２Ｈ_３Ｘは室温でもＨ^‒イオンが伝導することから、電気化学デバイスへのみならず、新たな触媒や合成への展開も期待されます。米国科学振興協会発行のオンライン科学誌「ＳｃｉｅｎｃｅＡｄｖａｎｃｅｓ」で２０２１年６月２日（米国東部時間）に公開予定です。

本研究は、文部科学省科学研究費助成事業新学術領域研究「複合アニオン化合物の創製と新機能」、科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴ「ヒドリド含有酸化物を活用した電気化学ＣＯ_２還元」、文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業、ＪＳＰＳＣｏｒｅ－ｔｏ－ＣｏｒｅＰｒｏｇｒａｍ「エネルギー変換を目指した複合アニオン国際研究拠点」、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所中性子共同利用Ｓ１型実験課題（課題番号２０１９Ｓ１０）の一環として行われました。

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