研究

2021年6月03日

H¯イオンの低温高速伝導を実現

臭素、塩素、ヨウ素のアニオンを用いて、200℃程度の低温でも水素イオンを結晶中で高速に伝導する新しい方法が発見された。(©高宮ミンディ/京都大学アイセムス)

 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、Cédric Tassel 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、負の電荷をもつ水素であるヒドリド(H)イオンが、室温から300ºC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300ºC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(O2‒)のかわりに、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Ba2H3X(X = Cl, Br, I)に着目したところ、200ºCで10‒3 S/cm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わかりました。

 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。Ba2H3X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。

 本研究成果は、新学術領域研究「複合アニオン化合物の創製と新機能」、CREST「ヒドリド含有酸化物を活用した電気化学CO2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、JSPS Core-to-Core Program「エネルギー変換を目指した複合アニオン国際研究拠点」の一環として行われ、J-PARC MLFにある実験装置SPICAによる中性子回折実験は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)で実施しました。

 米国科学振興協会発行のオンライン科学誌「Science Advances」で米国東部時間6月2日午後2時(日本時間6月3日午前3時)に公開予定です。

詳しい研究成果について

H-イオンの低温高速伝導を実現

書誌情報

論文タイトル:Anion Ordering Enables Fast H- Conduction at Low Temperatures
(参考訳:アニオン秩序により実現した低温における高速Hイオン伝導)
著者:Hiroki Ubukata, Fumitaka Takeiri, Kazuki Shitara, Cédric Tassel, Takashi Saito, Takashi Kamiyama, Thibault Broux, Akihide Kuwabara, Genki Kobayashi, and Hiroshi Kageyama

Science Advances|DOI: 10.1126/sciadv.abf7883