東京大学,京都大学,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

令和６年８月２０日

東京大学
京都大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

極性金属酸化物クラスターを構成要素とする
イオン結晶による高速プロトン伝導体を開発

～環境にやさしく高効率な水素エネルギーシステムへの応用に期待～

ポイント

東京大学 大学院総合文化研究科の岩野 司 特任助教、内田 さやか 教授らの研究グループは、極性金属酸化物クラスターを構成要素とするイオン結晶による高速プロトン伝導体を開発しました。

近年、化石燃料に依存しない持続可能な社会を築くことや、深刻化する地球温暖化問題への対策として、水素をエネルギー源とする社会への移行が注目されています。水素利用に関連する重要な既存技術である燃料電池や水電解システムでは、反応により生成される水素イオン（Ｈ＋）の伝導を担う電解質材料の性能や環境面に課題があり、新たなプロトン伝導体の開発研究が活発に進められています。

本研究グループは、新たな電解質材料の構成要素として、極性を持つ金属酸化物クラスターに注目しました。負の電荷を持つ金属酸化物クラスターは、正の電荷を持つ水素イオンの伝導を促進することが知られるものの、その極性に焦点を当てた研究はありませんでした。本研究では、まず、金属酸化物クラスターに内包される金属イオンの数と電荷を選択することで、極性の大きさを調整しました。次に、金属酸化物クラスターとカリウムイオン（Ｋ＋）から成るイオン結晶内に、アミノ基を持つポリマーと水分子といったプロトンキャリアを閉じ込めたところ、金属酸化物クラスターの極性が大きいほど、高いプロトン伝導率を示しました。さらに、理論計算により、極性金属酸化物クラスターがプロトンキャリアの配列を制御し、効率的なプロトン伝導経路が構築されることが明らかになりました。得られたイオン結晶は、多くの既存実用材料に含まれるフッ素や硫黄を含まないため、環境にやさしい新たな電解質材料として、水素エネルギーシステムへの応用が期待されます。また、熱や電場などの外部刺激を用いて極性金属酸化物クラスターに内包された金属イオンを操作することにより、プロトン伝導の方向を自在に切り替えることのできる材料の開発にもつながります。

本研究成果は、「Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ」オンライン版（２０２４年８月９日）に掲載されました。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 革新的ＧＸ技術創出事業（ＧｔｅＸ） グリーン水素製造用革新的水電解システムの開発（課題番号：ＪＰＭＪＧＸ２３Ｈ２、研究代表者：東京大学 高鍋 和広）、日本学術振興会（ＪＳＰＳ） 科学研究費助成事業 特別推進研究 水素イオンセラミックス（課題番号：ＪＰ２２Ｈ０４９１４、代表：京都大学 陰山 洋）、同 若手研究（課題番号：ＪＰ２４Ｋ１７６９２）、同 研究スタート支援（課題番号：ＪＰ２３Ｋ１９２６３）、同 学術変革領域研究Ａ（課題番号：ＪＰ２４Ｈ０２２１１）、同 基盤研究Ａ（課題番号：ＪＰ２４Ｈ００４６３）、同 挑戦的研究（萌芽）（課題番号：ＪＰ２３Ｋ１７９５２、２１Ｋ１８９７５）ＪＳＰＳ 研究拠点形成事業（Ｃｏｒｅ－ｔｏ－Ｃｏｒｅ Ｐｒｏｇｒａｍ）（先進エネルギー材料を指向したポリオキソメタレート科学国際研究拠点）の一環として行われました。

＜プレスリリース資料＞

＜論文タイトル＞

“Tuning Proton Conduction by Staggered Arrays of Polar Preyssler-Type Oxoclusters”
ＤＯＩ：10.1021/jacs.4c06743

＜お問い合わせ先＞

前に戻る