大型放射光施設 SPring-8

公開日

2023年07月25日

2023年7月25日
東京工業大学
量子科学技術研究開発機構

【要点】
○超高圧合成において、添加剤を加えることで新規酸水素化物の合成に成功。
○得られた物質はリチウムイオン電池の負極材料として高い性能を示す。
○新機能材料の新たな合成技術として期待される。

●背景
　水素は、地球に豊富な元素であり、また二酸化炭素を発生しないクリーンなエネルギーキャリアであることも注目されており、材料開発にとって重要な元素であるといえる。酸化物などのセラミックス中では、水素は一般的に陽イオンであるプロトン（H⁺）^{（用語6）}として存在することが知られているが、ヒドリド（H^–）^{（用語7）}と呼ばれる負電荷の水素イオンとして酸化物中に存在することもある。ヒドリドを含む酸化物は酸水素化物と呼ばれており、近年アンモニア合成触媒や電池材料として注目されている。一方で、酸水素化物の合成には高温高圧などの特殊な合成条件が必要であることから合成例が少なく、さらなる物質開発が望まれるとともに、新規の合成法の開発が必要であった。

●研究成果
　本研究では、超高圧合成法（1,200℃, 2万気圧）を用いて新規ペロブスカイト型バナジウム酸水素化物SrVO_2.4H_0.6およびSr₃V₂O_6.2H_0.8の合成に成功した。これらの酸水素化物は、原料となる複数の物質（SrH₂, SrO, V2O₃）を混合して反応させるだけでは狙った化合物を得ることができないが、ターゲットの組成には影響しない塩化ストロンチウム（SrCl₂）を20wt%^{（用語8）}加えることで新規酸水素化物を選択的に合成できることが分かった。そこで、実際の反応の様子を大型放射光施設SPring-8^{（用語9）}のビームラインBL14B1でのその場観察X線回折測定^{（用語10）}により観察したところ、高温では添加剤を含む原料が溶けることで、反応容器内の物質が均一に混合され、選択的に反応が進行することが明らかとなった。超高圧合成法では、反応容器内を外部から物理的にかき混ぜることが不可能であるため、高温で液体になる物質を混ぜ込む手法は、酸水素化物だけではなくさまざまな物質合成に役立つ可能性がある。また、得られた物質が酸水素化物として初めてリチウムイオン電池の負極材料として利用できることを示すとともに、ヒドリドを加えていない同構造の酸化物と比べて高レート領域^{（用語11）}で高い性能を示すことが明らかになった。この知見は、今後の材料設計にも役立つと考えられる。

●社会的インパクトと今後の展開
　本研究では、酸水素化物の合成法の改良を行うとともに、新規ペロブスカイト型バナジウム酸水素化物の合成に成功した。今回開発した新しい合成法は、その反応の原理から酸水素化物のみにとどまらず、さまざまな化合物群に適用できる可能性が高い。新しい物質群の開発は新しい機能性材料の開発につながることから、今後の研究の発展が期待できる。また本研究では、得られた酸水素化物がリチウムイオン電池の負極材料として高い性能を示すことも明らかにした。同構造の酸化物と比べて高レート領域で高い性能を示すことは、ヒドリドの柔らかさ^{（用語12）}に起因していると考えられ、今後の材料設計にも役立つと考えられる。

●付記
　本研究の一部は、日本学術振興会・科学研究費補助金・学術変革領域研究（A）｢超セラミックス（課題番号：22H05147）｣（分担：山本隆文 東京工業大学 准教授）、基盤研究（B）「特異なアニオン欠損面を持つ新規ペロブスカイトの開拓（課題番号：22H01767）」（代表：山本隆文 東京工業大学 准教授）、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業CREST「非晶質前駆体を用いた高機能性ペロブスカイト関連化合物の開発」（代表：東正樹 東京工業大学 教授）、国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクト等の助成を受けて行われた。

【用語解説】