Development of anhydrous organic superprotonic conduction by utilizing various molecular dynamics and hydrogen bonding networks

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多様なエネルギーの中でも、極めてクリーンなエネルギーとして長らく注目されてきた水素から電気エネルギーを取り出す燃料電池に注目が集まっている。現在、燃料電池の電解質として、液漏れがなく環境調和型で、中温度域でも利用できる無水の有機固体プロトン電解質の研究が必要とされている。その無水有機プロトン伝導体の中で、比較的プロトン伝導性の高い酸―塩基型のジカルボン酸―イミダゾールの物性研究で、伝導を担う分子の運動がプロトン伝導を促進すること、さらに水素結合ネットワークの多次元性が重要であることが示唆されている。そこで(I)多彩な分子運動に着目した無水有機プロトン伝導体を設計・合成し、(II)３次元に水素結合が広がった結晶において、分子の運動、結晶構造、およびプロトン伝導性（温度依存性、周波数依存性）の相関より伝導機構解明を行い、(III)室温での超プロトン伝導(＞ 0.001 S/cm)の開拓に挑むことを目的としている。本年度は、酸―塩基型無水有機プロトン伝導体として、酸、塩基とも分子運動をすると考えられるメタンスルホン酸―イミダゾリウムあるいは1,2,4-トリアゾリウムの単結晶塩を合成し、各々、443 K、および388 Kで0.001 S/cmを超える超プロトン伝導となることを見出した。さらに、2次元的な水素結合ネットワークであるにもかかわらず、等方的なプロトン伝導を示すことも明らかにした。今後は、カチオンの分子運動を実験、理論からも調査し、高プロトン伝導性の起源を明らかにて物質設計指針を確立する予定である。