水素結合性フレームワークにおける動的プロトン「ハブ」の工学による超プロトン伝導性の実現

科学分野:

• 材料科学
• 超分子化学
• 電気化学

背景:

• 合成材料における生物学的プロトン伝導の模倣は困難である。
• 水素結合性有機フレームワーク（HOF）は、プロトン輸送用途の可能性を提供する。

研究 の 目的:

• 強化されたプロトン伝導のために、HOF内に動的プロトン「ハブ」を工学的に設計すること。
• これらの工学的に設計されたフレームワークにおける相乗的プロトン輸送メカニズムを調査すること。

主な方法:

• プロトンハブとして超分子二次構築単位（SSBU）を組み込んだアンモニウムスルホン酸塩HOF（BPDS_NH4）の設計と合成。
• 様々な温度および湿度条件下でのプロトン伝導度測定。
• 輸送メカニズムを解明するための活性化エネルギー解析およびH/D同位体効果研究。

主要な成果:

• 合成されたアンモニウムスルホン酸塩HOF、BPDS_NH4は、90°Cおよび90% RHで0.21 S cm⁻¹のプロトン伝導度を達成した。
• プロトンハブは、車両輸送とグロトゥスホッピングの相乗効果を促進する。
• 実験的証拠は、これらの輸送メカニズムの連動した性質を支持する。

結論:

• 超分子プロトンハブの構築は、先端的なプロトン伝導材料を設計するための実行可能な戦略である。
• このアプローチは、生物系に見られる相乗的プロトン伝導を模倣するための青写真を提供する。
• 工学的に設計されたHOFは、効率的なプロトン輸送を必要とする用途に有望である。