「逆グロータス機構」に基づく高ヒドリドイオン伝導体の創成

水素の陰イオンであるヒドリドイオンはその高い反応性から化学合成およびエネルギー担体としての応用が期待される．本研究課題は酸水素化ランタン（LaH3－2xOx）におけるヒドリドイオン伝導機構を明らかにすることで固体中のイオン伝導について知見を深めるとともに，さらに高性能なヒドリドイオン伝導体の開発につなげることを目的としている．これまでの研究からLaH3－2xOxは酸素量（x）の減少に伴いヒドリドイオン伝導度が向上する一方，電子伝導性も合わせて大きくなりイオン輸率が低下することが判明している．この電子伝導性の起源は水素の脱離に伴って生じるギャップ内準位であると想定されたため，再水素化による水素欠陥の補償を試みた．その結果電子伝導性は2万分の1以下まで低減され，x = 0.1の組成において室温で1 mS/cmを超える高いヒドリドイオン伝導度を示すことが明らかとなった．この高伝導度の起源を探るため分子動力学シミュレーションにより伝導機構を調査したところ，酸素近傍（ランタンを介した第二近接位置）を占有する水素のサイト間移動は観察されない一方，酸素から離れた位置の水素は頻繁にサイト間を移動している様子が確認された．またヒドリドイオンの移動はランタン周りの回転運動とランタン間のホッピング運動に分けられ，これら２つの運動が協調的に起こることで伝導度に寄与する長距離拡散が起こると解釈できることがわかった．この伝導機構は回転運動がトリガーとなっているという点で水におけるプロトンのグロータス機構に類似しており，アニオンの伝導機構としてはこれまでに報告のない特異なものであるといえる．今後中性子散乱測定など実験的な側面からもさらなる分析を行うことで，この伝導機構が発現する要因などが明らかになると期待される．

水素の陰イオンであるヒドリドイオンはその高い反応性から化学合成およびエネルギー担体としての応用が期待される．本研究課題は酸水素化ランタン（LaH3－2xOx）におけるヒドリドイオン伝導機構を明らかにすることで固体中のイオン伝導について知見を深めるとともに，さらに高性能なヒドリドイオン伝導体の開発につなげることを目的としている．これまでの研究からLaH3－2xOxは酸素量（x）の減少に伴いヒドリドイオン伝導度が向上する一方，電子伝導性も合わせて大きくなりイオン輸率が低下することが判明している．この電子伝導性の起源は水素の脱離に伴って生じるギャップ内準位であると想定されたため，再水素化による水素欠陥の補償を試みた．その結果電子伝導性は2万分の1以下まで低減され，x = 0.1の組成において室温で1 mS/cmを超える高いヒドリドイオン伝導度を示すことが明らかとなった．この高伝導度の起源を探るため分子動力学シミュレーションにより伝導機構を調査したところ，酸素近傍（ランタンを介した第二近接位置）を占有する水素のサイト間移動は観察されない一方，酸素から離れた位置の水素は頻繁にサイト間を移動している様子が確認された．またヒドリドイオンの移動はランタン周りの回転運動とランタン間のホッピング運動に分けられ，これら２つの運動が協調的に起こることで伝導度に寄与する長距離拡散が起こると解釈できることがわかった．この伝導機構は回転運動がトリガーとなっているという点で水におけるプロトンのグロータス機構に類似しており，アニオンの伝導機構としてはこれまでに報告のない特異なものであるといえる．今後中性子散乱測定など実験的な側面からもさらなる分析を行うことで，この伝導機構が発現する要因などが明らかになると期待される．