金属酸化物クラスターが創るイオン結晶の細孔に閉じ込められたポリマーによる水素イオンの高速伝導研究成果

　近年、化石燃料に依存しない持続可能な社会の構築、深刻化する地球温暖化問題の解決手段の一つとして、水素をエネルギー源とする水素社会への移行が注目を浴びています。中でも燃料電池は、水素と空気中の酸素との化学反応を利用して電気を取り出すシステムであり、水素利用における最重要技術の一つです。しかし、反応により生成した水素イオン（注1）の伝導を担う電解質材料には、性能および環境面で、多くの課題があります。

　東京大学 大学院総合文化研究科 内田さやか准教授らの研究グループは、新たな電解質材料の構成ブロックとして、金属酸化物クラスター（ポリオキソメタレート；図1、注2）とポリマー（ポリアリルアミン；図1、注3）に着目しました。これらは、高い水素イオン伝導性を示す可能性があることが知られているものの、単独では、水蒸気や熱への耐性が低いという欠点があります。本研究では、ポリオキソメタレートとカリウムイオン（注4）との間に働く静電相互作用（注5）により構築されるイオン結晶（注6）のナノ細孔（注7）に、ポリアリルアミンと水分子を閉じ込めることにより、高い構造安定性と水素イオン伝導性を両立できることを明らかにしました（図1）。得られたイオン結晶は、フッ素や硫黄を含まない環境に優しい固体電解質材料として、燃料電池や水電解などの水素エネルギーシステムへの応用が期待されます。

　本研究は、東京大学 大学院総合文化研究科 内田さやか准教授らのグループを中心として行われ、東京工業大学 大学院総合理工学研究科 野村淳子准教授らのグループ、東京大学 大学院新領域創成科学研究科 植村卓史教授・北尾岳史助教らのグループとの共同研究の成果です。また、文部科学省 新学術領域研究 配位アシンメトリ（領域代表：塩谷光彦）、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究事業（さきがけ）研究領域「超空間制御と革新的機能創成」（研究総括：黒田一幸）研究課題「イオン結晶の階層的構築と吸着・輸送・変換場への応用」の一環として行われました。

用語解説：
（注1）水素イオン：水素原子が電子一個を失った一価の陽イオン。H⁺と表し、陽子に等しい。
（注2）金属酸化物クラスター：金属酸化物の分子状のイオン種であり、英語でpolyoxometalate（ポリオキソメタレート）と呼ばれ、一般に負電荷を有する陰イオンである。
（注3）ポリマー：複数のモノマー（単量体）が結合して鎖状になること（重合）によってできた化合物のこと。ポリアリルアミンは、図1に示すアリルアミンモノマーが重合した化合物である。
（注4）カリウムイオン：カリウム原子が電子一個を失った一価の陽イオン。K⁺と表す。
（注5）静電相互作用：一般に化学では、正電荷を持つ陽イオンと負電荷を持つ陰イオンとの間に働く引力に基づく相互作用を指す。
（注6）イオン結晶：陽イオンと陰イオンとの静電相互作用により構築される結晶のこと。
（注7）ナノ細孔：ナノメートルは10億分の1メートルのこと。細孔は多孔質材料が持つ微細な空孔のこと。従って、ナノ細孔とは、ナノサイズの細孔のことを指す。

 

図1　イオン結晶の構造。左図は、ポリオキソメタレートとカリウムイオンの配列と相互作用の様子を示す。右図は、細孔中（黄色部分）に存在するポリアリルアミンと水分子の様子を模式的に示す。