ナノ医療および生物療法発見ジャーナル
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概要

固体電気化学反応を利用したインターカレーションとイオン交換の新しい方法

藤岡 正也

合成装置と技術の開発と改良により、材料科学と設計は飛躍的に進歩しました。最近、私たちは、常圧水素下での固体電気化学反応を利用して、インターカレーションとイオン交換に利用できる新しい合成法を開発しました。この合成法は、プロトン駆動イオン導入（PDII）と呼ばれています。水素の電気分解によって生成されたプロトン（H +）は、固体中の高電界に沿って他の一価カチオンを駆動します。この現象は、「イオンビリヤード」と考えることができます。このような液体を使用しないイオン導入プロセスにより、サンプルに数キロボルト程度の高電圧を印加できます。この高電界により、イオン交換が強力に加速されます。実際、PDII は、従来の固体反応と比較して、図 1 に示すように、Na 超イオン伝導体 (NASICON) 構造の Na3???xKxV2(PO4)3 に 15 倍の量の K イオンを導入しました。ホスト材料として粉末状の Na3V2(PO4)3 を浅いアルミナシリンダーに入れ、カーボンカソードステージ上に置きました。次に、K イオン源材料としてカリウムを含むリン酸ガラスもアルミナシリンダー上に置きました。電圧を印加すると、プロトンがガラス内の K イオンと置き換わり、これらのイオンを Na3V2(PO4)3 に追い込みました。K イオンは連続的に移動して Na3- xKxV2(PO4)3 を形成しました。得られた化合物は、これまで報告されていない熱力学的準安定相を示しました。現段階では、H+、Li+、Na+、K+、Cu+、Ag+ をゲストイオンとして使用できます。さらに、この方法では、ナノスペースを持つさまざまな化合物がホスト材料の候補になります。本会議では、PDII の詳細と得られた材料について発表します。最近の出版物 1. Fujoika M, et al. (2017) Proton-driven intercalation and ion replacement using solid-state electrochemical reaction. Journal of the American Chemical Society 139:17987???17993. 2. Caglieris F, et al. (2017) Quantum swings in the SmFeAsO parent compounds and superconducting SmFeAs(O,F). Physical Review B 96:104508 3. Fujio M, et al. (2016) Discovery of the Pt-based superconductor LaPt5As. Journal of the American Chemical Society 138:9927???9934. 4. Fujio M, et al. (2014) High-Tc phase of PrO0.5F0.5BiS2 single crystal induced by uniaxis pressure.応用物理学レターズ 105:052601. 5. 藤岡 正之 他 (2014) 単結晶 SmFeAsO1-xFx の異方性に対する非常に高いフッ素ドーピングの影響. 応用物理学レターズ 105:102602