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機能性無機機-有機ハイブリッド材料の構築

  / Construction of Functional Inorganic-Organic Hybrid Materials

 無機-有機ハイブリッド材料は、無機成分の安定性や多機能性と、有機成分の構造柔軟性をあわせもちます。無機成分と有機成分の組み合わせを変えることにより、様々な機能性材料を構築することができます。

 ポリ酸(ポリオキソメタレート)は、分子性の遷移金属酸化物アニオンです。分子設計をすることにより酸還元特性を変化させることができ、対カチオンを変えると熱安定性を向上させることができます。工業用触媒として実用化されており、他にもフォトクロミック特性や発光特性、医薬品としての応用など、様々な特性をもっています。

 我々は、ポリ酸イオンの対カチオンに、構造規定剤として界面活性剤を用いて、世界的にも類例のない無機-有機ハイブリッド材料を単結晶として得ることに成功しています。このハイブリッド結晶では、アニオンであるポリ酸を変えることで、伝導特性や発光特性を付与できます。また、カチオンである界面活性剤との組み合わせを変えることで、層状構造からハニカム構造まで変化させて結晶を構築することができます。ハイブリッド結晶中にプロトンやリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンなどを、イオンの種類や量を制御して取り込むことも可能です。

 得られるハイブリッド結晶は伝導性の発現に有利な結晶構造を有しています。中温・無加湿条件下でプロトン伝導性を示すものもあり、燃料電池向け固体電解質や次世代型二次電池の電極材料などへの展開が期待できます。

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ポリ酸イオン

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様々なポリ酸イオン 

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ポリ酸イオン

界面活性剤

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ポリ酸-界面活性剤ハイブリッド結晶

  Inorganic-organic hybrid materials have potential for the construction of functionalized materials. We can expect synergy of the merits derived from inorganic motifs bringing thermal stability as well as various functions, and from organic components which enable flexible control of molecular and built-up structures.

  Polyoxometalates are inorganic cluster anions having various physicochemical properties. The molecular design enables to change redox properties, and the selection of counter cations can improve thermal stability. Several polyoxometalates have been utilized as industrial catalysts. In addition, other characteristics such as photochromic and biological properties catch extensive attention from researchers. 

  We have successfully synthesized a rare series of hybrid crystals comprising functional inorganic clusters (polyoxometalates) and surfactant molecules. These hybrid crystals can precisely tune the composition, structure and function by changing the combination of polyoxometalate anion and surfactant cation. Selective introduction of proton and metal ions such as lithium, sodium, or potassium has been realized. 

  The hybrid crystals possess layered structure beneficial for the emergence of conductivity. We have synthesized hybrid crystals exhibiting anhydrous proton conductivity over 373 K. These hybrid crystals exhibit electric and proton conductivities, and are promising solid electrolytes or electrode materials for fuel-cell and rechargeable batteries.

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Polyoxometalate anion

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Various polyoxometalates

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Polyoxometalates

Surfactants

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Polyoxometalate-Surfactant Hybrid Crystals

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