常温で世界最高の水素陰イオン（H–）伝導度を実現―水素リッチの酸水素化ランタンを合成：東京工業大学/物質･材料研究機構ほか
(2022年1月25日発表)
東京工業大学と（国）物質･材料研究機構などの研究グループは1月25日、水素の陰イオンであるヒドリド（H–）の伝導度が常温で世界最高のイオン伝導体を創出したと発表した。物質生産プロセスの革新や燃料電池の開発などへの貢献が期待される成果という。
水素のイオンは通常、水素原子が電子1個を失ってイオン化した陽イオン（プロトンH+）が思い浮かぶが、水素原子が電子を1個受け取ってイオン化した水素陰イオン（H–）はヒドリドと呼ばれ、これも安定に存在する。
ヒドリドイオンはアミドやカルボン酸を水素化できる化学活性を有し、有機合成における水素化剤として広く用いられてきた。このヒドリドイオンをさらに固体内で高速に動かし、高いイオン伝導を実現できると、難水素化物を原料に用いる燃料電池や、高出力の新規蓄電池など、新たな機能を持った電気化学デバイスの開発が期待されている。
しかし、室温におけるイオン伝導度はこれまでプロトンに比べると著しく低く、これが材料開発のボトルネックになっていた。
研究グループが今回開発したのは、酸水素化ランタンと呼ばれるランタン、水素、酸素から成る固体物質。この物質は酸素量を減らし、水素を多く含む状態にすると、ヒドリドイオン伝導度が向上するという性質がある。しかし、それにより水素が格子位置から欠損しやすくなり、その際に生じる電子によって電子伝導度が増大するという問題があった。
そこで研究グループは水素の欠損を抑制しながら酸素量を低く抑えた水素リッチな酸水素化ランタンの合成を試み、常温において高速プロトン伝導体に匹敵する伝導度のヒドリドイオン伝導体を得ることに成功した。そのイオン伝導度は従来に比べて1,000倍以上という。
この結果、ヒドリドイオン（H–）もプロトン（H+）と同様に室温でも高速に固体内を伝導できることが分かったことから、今後、電解合成反応器や高エネルギー密度の蓄電池の電解質に応用することで、二酸化炭素等の再資源化を可能にする化学合成プロセスを創り出したり、高エネルギー密度の次世代電気化学デバイスを創出したりするなどの応用が期待されるという。
