金属-有機構造体におけるMg 2+伝導機構の実験的裏付け -ミクロな分子運動とマクロなイオン伝導の関係-

2026-10-21 理化学研究所,東京理科大学,島根大学,総合科学研究機構,J-PARCセンター

理化学研究所などの共同研究グループは、金属-有機構造体(MOF)を利用したマグネシウムイオン(Mg²⁺)伝導体について、イオン伝導度が高まる仕組みを実験的に裏付けた。研究対象は、ナノサイズの細孔を持つMOF「MIL-101」にマグネシウム塩とアセトニトリルを導入した材料である。研究チームは、中性子準弾性散乱(QENS)と高精度の熱容量測定を組み合わせ、細孔内におけるアセトニトリル分子の運動を解析した。その結果、マグネシウム塩が存在すると、アセトニトリル分子は連続的に移動するのではなく、特定の場所から別の場所へ飛び移るように拡散することが分かった。また、分子の平均的な移動距離は約1.6オングストロームで、Mg²⁺との配位結合の形成と切断を繰り返しながら移動すると考えられる。これらの結果は、アセトニトリルがMg²⁺に配位してイオン間の静電相互作用を弱め、イオン伝導を促進するという機構を支持する。成果は、資源量が豊富なマグネシウムを利用する次世代二次電池向け固体電解質の設計に役立つと期待される。

金属-有機構造体におけるMg 2+伝導機構の実験的裏付け -ミクロな分子運動とマクロなイオン伝導の関係-
アセトニトリル分子の拡散の様子

<関連情報>

アセトニトリルを含む金属有機構造体MIL-101を用いたMgイオン伝導体の熱量測定および準弾性中性子散乱研究 Calorimetric and Quasielastic Neutron Scattering Studies on a Mg-Ion Conductor Using a Metal–Organic Framework MIL-101 Involving Acetonitrile

Shun Sato;Hiroshi Akiba;Yoshinori Ohmasa;Takeshi Yamada;Kaori Taniguchi;Masaaki Sadakiyo;Iwao Matsuda;Genki Kobayashi;Osamu Yamamuro
Journal of the American Chemical Society  Published:September 29, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c11926

Abstract

A metal–organic framework (MOF) MIL-101 containing Mg(TFSI)2 (TFSI: bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) and guest molecules within pores exhibits high Mg2+ conductivity (>10–3 S cm–1) at room temperature and is attracting attention as a hopeful solid Mg conductor. To investigate the phase behavior and the dynamics of acetonitrile (AN) molecules in the pores, heat capacity (Cp) and quasielastic neutron scattering (QENS) experiments were performed for MIL-101/Mg(TFSI)2/AN, MIL-101/AN, bulk AN/Mg(TFSI)2, bulk AN, and dry MIL-101. The Cp measurement of MIL-101/AN revealed a broad phase transition around 110–250 K, corresponding to some sort of order/disorder process of AN molecules within the pores. A similar Cp peak accompanied by a glass transition at the Cp rising part appeared in MIL-101/Mg(TFSI)2/AN. This glass transition corresponds to the freezing of the AN motion in the pores. The samples containing AN exhibited QENS broadening above the phase transitions. The QENS spectra of the samples with Mg(TFSI)2 were well explained by the jump diffusion model, while those without Mg(TFSI)2 by the continuous diffusion model. The jump length was about 1.6 Å, which is thought to be related to the connection/disconnection processes of AN molecules to Mg2+ ions. The diffusion coefficient of AN molecules decreased in the order of bulk AN > bulk AN/Mg(TFSI)2 > MIL-101/AN > MIL-101/Mg(TFSI)2/AN. Only MIL-101/Mg(TFSI)2/AN exhibited non-Arrhenius temperature dependence. These results are consistent with our proposed model that the coordination of AN to Mg2+ shields interionic electrostatic interactions and enhances the Mg2+ mobility, leading to the high Mg2+ conductivity in MIL-101/Mg(TFSI)2/AN.

0402電気応用
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