光スイッチング効果を示す超イオン伝導体を発見――光で電池のON/OFFを行える技術の実現へ 東大ら

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東京大学は2020年3月17日、同大学大学院理学系研究科の大越慎一教授らの研究グループが、光スイッチング効果を示す超イオン伝導性極性結晶を発見したと発表した。

今回発見された結晶は、鉄-モリブデンシアノ骨格錯体にセシウムイオンを含んだ3次元ネットワークで構成される極性結晶構造の物質である。この物質は45℃において4×10-3Scm-1という高いイオン伝導度を示し、超イオン伝導体に分類されることが判明した。超イオン伝導体は、イオンが電気を輸送する伝導体のうち、電解質水溶液の伝導率に匹敵する10-4Scm-1を超える高い伝導率を示す物質で、全固体電池の固体電解質として用いられている。

室温下でこの物質に532nmの光を照射したところ、イオン伝導性が1×10−3Scm−1から 6×10−5Scm−1へ可逆的に変化し、イオン伝導性の光スイッチング効果が観測された。この光スイッチング現象は、モリブデンとニトロシル基の結合角度が光照射で可逆的に変化する光異性化現象に起因しており、結合角度の変化により水素結合ネットワークが一部切断されることで、超イオン伝導を担っているプロトン伝導度が低下したと思われる。

この物質は、自発電気分極によって第二高調波発生(SHG)を示す超イオン伝導体であることが判明しており、発表によると光応答性およびSHG活性を示す超イオン伝導体は初めての発見となる。燃料電池の電解質の機能提案につながると考えられる。光でイオン伝導度がスイッチングできる本物質の性質を使えば、将来、電池のON/OFFを光で行うことができるようになると期待される。

イオン伝導度の光スイッチング(左上:光照射実験の概略、右上:イオン伝導度の光スイッチングの繰り返し特性、下のグラフ:光照射前(左)および532nm光照射直後(右)に測定したCole-Coleプロット)

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