非対称な分子が有機材料中の無加湿プロトン伝導性を向上する機構を解明：研究開発の最前線

東北大学は、右手と左手のような鏡像関係にある非対称な分子が、有機材料中の無加湿プロトン伝導性を向上する機構を解明した。キラリティの存在が分子運動を介して、伝導度の変化を引き起こすと考えられる。

[MONOist]

　東北大学は2024年8月6日、右手と左手のような鏡像関係にある非対称な分子（キラル分子）が、有機材料中の水分を含まない無加湿プロトン（H^＋：水素イオン）伝導性を向上する機構を解明したと発表した。金沢大学、早稲田大学、信州大学、リガクとの共同研究による成果だ。

　研究では、五角形のアゾール分子とキラリティ（キラル分子の性質）を有するカンファースルホン酸を1：1の比率で組み合わせた塩を作製。カンファースルホン酸には左手型（1S）と右手型（1R）があり、1S体分子のみを含む「ホモキラル結晶」と1Sと1R体分子を50：50の比率で含む「ラセミ結晶」のプロトン伝導性を比較した。アゾール分子としてイミダゾールや1,2,3-トリアゾールを用いた塩では、ホモキラル結晶とラセミ結晶を得られたが、チアゾールを用いた塩ではホモキラル結晶のみとなる自然分晶が確認されている。

アゾール分子とキラルなカンファースルホン酸分子の化学構造［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　単結晶X線構造解析により、いずれの塩も無加湿でH^＋が伝導可能な経路を有する結晶構造であることが判明。1,2,3-トリアゾール塩では、ホモキラル結晶とラセミ結晶で分子の配向状態が異なり、ホモキラル結晶の方がアゾール分子の回転運動が活発であることが固体核磁気共鳴分光法（固体NMR）により明らかとなった。プロトン伝導度は、ラセミ結晶よりもホモキラル結晶の方が高い。

1,2,3-トリアゾール塩のホモキラル結晶およびラセミ結晶における分子の無秩序配向様式［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　一方、キラル分子の運動性が活発で結晶のキラリティが平均化したイミダゾールの塩では、伝導度の違いは現れなかった。これらの結果から、キラリティ（非対称性）の存在が分子運動を介して、伝導度の変化を引き起こすと考えられる。

1,2,3-トリアゾール塩のホモキラル結晶およびラセミ結晶における無加湿プロトン伝導度の温度依存性。傾きが小さいほど活性化エネルギーが小さく高効率であることを示す［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　現在主流の高分子型プロトン伝導体は、伝導性の発現に水が必要なため、水が沸騰する100℃以上では利用できない。有機材料の無加湿プロトン伝導特性の向上により、100〜300℃の中温域で利用な無加湿燃料電池への活用が注目される。

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