固体イオン交換反応の進行を計算科学で予測 ～太陽電池や燃料電池により適した新物質の探索を加速～

固体イオン交換反応の進行を計算科学で予測～太陽電池や燃料電池により適した新物質の探索を加速～

2024年4月18日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　讲师　铃木一誓

【発表のポイント】

固体イオン交换法^（注¹^）は、既存の固体物质中のイオンを、接触させた别の固体物质に含まれる异なるイオンに置き换えることで、従来法では手に入れられない新物质を生み出す手法です。
今回、これまでは実験的に検証するしかなかったイオン交换に适した物质の组合せを、第一原理计算^（注²^）により高速で见极めることが可能になりました。
太阳电池や燃料电池などに适した新しい物质の探索を加速させると期待されます。

【概要】

太陽電池や燃料電池などをさらに高効率化していくためには、それに適した新しい物質の探索が必要不可欠です。固体イオン交换法は、既存の物質が含むイオンを、別の固体物質が含む異なるイオンに置き換えることで新しい化合物を作り出す手法です。従来の原料から合成する高温反応法が800℃以上を必要とするのに対し、固体イオン交换法では150～400℃と比較的低温で反応が進むため、新物質を探索するためのツールとして長らく期待されてきました。しかしイオン交換が生じる物質の組合せ（前駆体とイオン源の組合せ」を予測する手段はこれまでなく、新物質を合成するためには、様々な組合せを試行錯誤する実験が必要でした。

东北大学多元物质科学研究所の铃木一誓讲师らの研究グループは、イオン交换が生じる前駆体とイオン源の组合せを、第一原理计算によって高速で见极める技术を确立しました。これにより、太阳电池や燃料电池などに适した、新物质の开発が一层加速することが期待されます。

本研究成果は、2024年4月17日（現地時間）、Chemistry of Materials誌に掲載されました。

図1. (上)材料合成に通常用いられる高温合成法と、(下)準安定相の合成に適したイオン交換法の模式図。

【用语解説】

注1. 固体イオン交换法
無機化合物に適用する固体イオン交换法とは、あらかじめ用意した物質（前駆体）の一部のイオンを、イオン源に含まれる別のイオンと交換することで、新たな化合物を合成する手法のこと。高温で原子を再構成する高温反応法と異なって、イオン交換法は低温（150～400 °C）でやさしくイオンを交換する手法であることから「ソフトケミストリー」の一種とされることもある。前駆体の結晶構造を維持したままイオンを交換する手法であるため、通常の高温反応法では得ることができない化合物の合成に用いられる。

注2. 第一原理計算
実験结果を参照しないで固体中に存在する电子の状态を计算することで、物质のさまざまな性质を予测する手法。本研究では、物质の热力学的な特性（安定性）の予测に用いた。结晶构造とそれを构成する元素の种类がわかれば计算が可能であるため、これまでに合成されたことがない未知の物质についても、イオン交换による合成の可否を推测することが可能である。

详细（プレスリリース本文）