【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.21】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23QS0118

利用課題名 / Title

放射光X線その場観察による物性評価用高純度試料の合成

利用した実施機関 / Support Institute

量子科学技術研究開発機構 / QST

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

全固体電池/ All-solid battery,X線回折/ X-ray diffraction,放射光/ Synchrotron radiation

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

高木 成幸

所属名 / Affiliation

東北大学金属材料研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

大槻 賢二朗,橋本 健宏,中平 夕貴,内海 伶那,肥田 樹

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

齋藤 寛之

利用形態 / Support Type

（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

QS-141：高温高圧プレス装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

遷移金属錯体水素化物は、遷移金属元素に複数の水素が配位した水素錯イオンと、それらを電子供与により安定化させる陽イオンからなる固体水素化物である。特に7配位以上の高水素配位錯イオンを含むものを高水素配位錯体水素化物と称する。申請者らの理論計算によると、高水素配位錯イオンにおいては水素の位置がわずかに異なる多様な準安定配位構造が存在し、これらを介した微小変形を繰り返すことで「擬回転」と呼ばれる擬似的な高速再配向が生じる。この擬回転は、最軽量元素ならではの高い可動性をもつ“水素”の微小変位のみにより生じることから極めて速く、結果として水素の二次元的融解状態をもたらす。さらには水素の強い量子性に由来する量子トンネリングをも駆動力とすることで、室温より遥かに低い温度領域まで融解状態が維持されるとともに、隣接する陽イオンのポテンシャルにも強く作用して陽イオンの副格子融解を誘発する [S. Takagi et al., Appl. Phys. Lett. 116, 173901 (2020)]。上記理論予測の実験実証に不可欠な高純度試料を得るため、申請者らはこれまでに水素9配位錯イオンMoH₉^3-やReH₉^2-、Hf₂H₁₄^6-などを含む高水素配位錯体水素化物の形成過程をその場観察し、それらの形成機構解明と最適合成条件決定に取り組んできた。これにより、Li₅MoH₁₁やLi₂ReH₉、Li₆Hf₂H₁₄などの最適合成条件決定に成功している一方、申請者らが所有する高温高圧合成装置では、装置周りの環境の違い（設置箇所の温度や湿度、合成実験を行った季節など）や、出発原料の鮮度の違い、高圧合成セルのロットの違いなどといった制御不能な僅かな違いに起因して結果を再現できず、イオン導電率評価に至っていないのが現状である。以上の背景を踏まえ、申請者らは、高圧合成試料に特化した微少量試料用電気化学セルを独自に開発した。一般的な市販品が最低でも30 mg程度の試料量を必要とするのに対し、本セルでは0.5 mg以下の微少量、すなわち1回の高温高圧合成により得られる試料量でも十分な精度での導電率評価を可能とする。本課題では、放射光X線その場観察技術の援用により、“見ながら作る”ことで高純度試料を確実に合成し、得られた回収試料そのものを用いた交流インピーダンス測定を実施することで、理論予測される優れたイオン輸送特性の実験実証を実現する。

実験 / Experimental

本課題では、2022A期施設利用課題にて実績のあるLi₂ReH₉を対象とし、その高純度試料合成に取り組んだ。出発物質にはAr雰囲気中で30分間乳鉢混合したモル比5 : 1のLiH＋Re混合粉末を用いた。SPring-8 BL14B1に設置された高温高圧その場観察システムを用いて“見ながら”高純度試料を合成した。上記課題における実績を踏まえ、800℃、5 GPaまでの温度圧力領域にて合成実験を実施した。

結果と考察 / Results and Discussion

上記出発物質を、5 GPa、725℃から750℃の水素流体中に保持したところ、目的とするLi₂ReH₉の形成が確認された。不純物としてごく微量のLi₄ReH₁₁を含むものの、当初の目論見通り、物性測定に適していると期待できる高純度な試料を複数得ることができた。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究は、科研費・基盤研究(B)の支援のもと遂行されました。齋藤寛之様（量子科学技術研究開発機構）の支援に感謝申し上げます。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 大槻賢二朗, 高木成幸, 折茂慎一, 古川翔一, 桑葉達広, 前田絋希, 藤田健一, ”高水素配位錯体水素化物の高純度試料合成”, 第145回金属材料研究所講演会（仙台）, 令和5年12月6日
2. 大槻賢二朗, 高木成幸, 折茂慎一, 古川翔一, 桑葉達広, 前田絋希, 藤田健一, "高水素配位錯体水素化物の高純度試料合成", 第1回水素が関わる材料科学の課題共有研究会（東京）, 令和5年12月7日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件