- Address
- 305-0044 茨城県つくば市並木1-1 [アクセス]
研究内容
出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。
所属学会
Japan Society of Coordination Chemistry, The Chemical Society of Japan
受賞履歴
- Inoue Research Award for Young Scientists (2025)
外部資金獲得履歴
- Japan Society for the Promotion of Science: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists (2025)
- Iketani Science and Technology Foundation: 単年度研究助成 (2025)
- JST PRESTO [さきがけ]: Basic Research for the Development and Recycling of Materials (2025)
- Japan Society for the Promotion of Science: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up (2024)
- The Sumitomo Foundation: Basic Science Research Projects (2024)
ナノアーキテクトニクス材料研究センター
タイトル
プロトン伝導性金属有機多面体を構成単位とするアモルファスMOFのボトムアップ構築
キーワード
アモルファス材料, 金属有機構造体 (MOF), 金属有機多面体 (MOP), プロトン伝導性
概要
結晶性の金属有機構造体(MOF)は精密な構造設計性を有する一方で、アモルファスMOF(aMOF)において同等の構造制御を実現する手法は十分に検討されていない。これまでに報告されているaMOFの多くは、結晶性骨格のトップダウン的な非晶質化によって得られている。また、数少ないボトムアップ手法も配位子置換に基づく集積に依存しており、ノードレベルでの機能化が本質的に制限されている。本研究では、スルホン酸基を豊富に有する金属有機多面体(MOP)をあらかじめ設計された分子構築ユニットとして用いる、プロトン伝導性aMOFのボトムアップ構築戦略を提示する。利用可能な軸配位サイトを有する離散的なRh系MOPを柔軟な二座架橋配位子で架橋することにより、ノード固有の機能を保持したまま拡張アモルファスネットワークを形成した。架橋配位子の種類を変えることで、ネットワークの連結性、自由体積、水安定性およびプロトン輸送挙動が変化した。MOP構築ユニット由来のスルホン酸基を保持したaMOFは、85 °C、相対湿度90%において最大4.8 mS/cmのプロトン伝導度と0.20 eVという低い活性化エネルギーを示した。一方、スルホン酸基を持たないaMOF類縁体は絶縁性を示した。以上の結果は、化学的にあらかじめ規定された構築ユニットを用いて、機能をプログラム可能なaMOFを合理的に設計するための汎用的な戦略を確立するものである。
新規性・独創性
構造の明確なMOPを分子ノードとして用い、自己集合後に柔軟な二座架橋配位子で架橋することで、拡張アモルファス骨格を構築する。本手法の重要な点は、MOP構築ユニットに組み込まれた官能基がそのまま保持されることであり、これにより分子レベルの特性を得られるaMOFへ直接引き継ぐことができる。
内容
まとめ
以上のように本研究では、スルホン酸基を豊富に有する金属有機多面体(MOP)を分子構築ユニットとして用いることで、ネットワーク形成とノードの機能化を切り離したアモルファス金属有機構造体(aMOF)のボトムアップ合成法を実証した。本手法では、構造の明確なRh系MOP骨格を拡張アモルファスネットワーク内に保持したまま、架橋配位子の選択によってネットワークの連結性、自由体積および輸送特性を調節できる。得られたaMOFは、前駆体である離散的なMOPと比べて高い水安定性を示し、架橋配位子の柔軟性、スルホン酸基の空間配置、および水を介した伝導経路に応じて調節可能なプロトン伝導性を示した。スルホン化Rh系MOPから構築したaMOFは、これまでにボトムアップ法で報告されたaMOFを上回るプロトン伝導度を示した一方、官能基を持たないMOPから合成したaMOFは絶縁性を示した。これらの結果は、アモルファス骨格の設計においてノードレベルの機能性が重要な役割を果たすことを示している。さらに、架橋配位子とノードの両方に官能基を導入することで、プロトン伝導性をより一層向上させる二元的な機能化も期待される。より広くは、本研究はMOPを基盤とした集積を、機能をプログラム可能なaMOFを合理的に構築するための汎用的な設計指針として確立するものであり、分子レベルの特性を精密に組み込んだ不規則固体の設計に新たな道を拓くものである。
この機能は所内限定です。
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