水素吸蔵/放出可能な電導性分子固体の創製

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本研究では、化学吸着により水素吸蔵される錯体ポリマーを開発し、電極電位や光により吸蔵/放出過程を制御することを最終的な目的とした。本研究の対象物質であるルベアン酸銅錯体ポリマーは、電子伝導とプロトン伝導を示すことに加えて、水素吸蔵能のあることが本年度の研究によって明らかになった。錯体ポリマーの修飾電極或いはその微粒子を用いて、電解還元法により水素吸蔵を行い、それに伴う構造変化・物性変化をX線回折、EXAFS、XPS、各種分光法、電気伝導度測定、磁化率測定によって詳細に調べた。プロトン共役酸化還元特性に基づいて、水素吸蔵されることがXPSと赤外分光測定によって明らかになった。金属錯体の重要な特徴の1つに、中心金属の酸化還元に伴い酸解離定数(pKa)が変化することがあげられる。これは、プロトン共役酸化還元特性として知られており、中心金属が酸化されるとpKaは小さくなり、逆に還元側ではpKaは大きくなる。アミノ基を有するルベアン酸系配位子は、二塩基酸性を示す。本来アミノ基は塩基性を示すのが一般的であるが、ルベアン酸はπ共役系の組み替えにより酸性を示す。通常起こりにくいアミノ基の水素解離が起こることから、解離イオン種はさほど安定ではないことが容易に予想される。つまり、錯体ポリマー中に侵入したプロチウムは、電子をCu(II)に与えてCu(I)へ還元し、プロトン(H+)はN位のローンペアに対して弱く水素結合するものと考えられる。安定な化学結合の場合、一方向にしか反応が進まず、反応した水素は決して脱離することはない。プロチウム侵入に伴い電気伝導性は9桁近く上昇し、その温度依存性から絶縁体→半導体→金属へと変化することがわかった。また磁性は、singlet-triplet係→局在スピン系→遍歴スピン系へと逐次変化する。プロチウム侵入に伴い、Cu(II)からCu(I,II)の混合原子価状態へと還元され、Cu3d軌道のバンドフィリングが変化し、抵抗の大きな減少が観測されたものと考えられる。磁性も還元に伴い、δ結合により打ち消し合っていた3d軌道のスピンが局在スピンヘと変化し、伝導度の上昇に伴いパウリ常磁性へと変化したものと解釈される。第一原理計算によって、バンドフィリング変化の検証も行った。本年度の研究によって、二次元のルベアン酸銅錯体ポリマーが、プロトン共役酸化還元特性に基づき、水素吸蔵することが明らかになった。また他に例を見ないユニークな、プロチウムドーピングによるバンドフィリング制御・スピン制御を行うことができた。