Ion transport, crystal dynamics, melting/vitrification of hybrid frameworks toward electrochemical applications, catalysis.

配位高分子や金属―有機構造体 Metal-Organic Framework, MOF結晶から作る、ガラス・液体材料

New Glass and Liquid Chemistry from Metal-Organic Framework (MOF) Crystals

金属ー有機構造体(Metal-organic Framework, MOF)は金属イオンと配位子から得られる結晶材料です。ガス貯蔵材などとしてすでに実用されています。これらは現在に至るまで結晶以外の相、すなわちガラスや液体の研究がほとんどされていませんでした。

我々はMOF結晶を液体やガラスにできることを見つけました(例:J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 864.)。MOF液体を用いて膜や巨大単結晶を調製したり、ポリマーや金属粒子との複合体が合成でき、電気デバイスや触媒などへ利用できます。またMOFガラスでは動的特性や透明性により、結晶より高いイオン伝導やユニークな屈折率などが見られます。この新しいハイブリッド液体・ガラスの基礎科学を進めています。

Metal-organic framework (MOF) is a crystalline material consists of metal ions and bridging ligands. It is already in practical use as a gas storage material. Until now, little research has been done on phases other than crystals, that is, glass and liquid.

We have found that MOF crystals transform to liquids and glasses (e.g. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 864.). Membranes and giant single crystals can be prepared using MOF liquids, and composites with polymers and metal particles can be synthesized for use in electrical device applications and catalysts. MOF glass also exhibits higher ionic conductivity and unique refractive index than crystals due to its dynamic properties and transparency. We study the science of this new hybrid liquid and glass.


Coordination Polymer Crystals for Proton Conductivity and Energy Applications

固体中でイオン伝導を示す物質は、様々なエネルギー分野や環境分野への応用が期待されます。プロトン(H+)やリチウムイオン(Li+)を伝導する物質は、燃料電池や二次電池などの材料として働きます。我々は金属イオンと分子がナノスケールで交互に配列した「配位高分子」と呼ばれる結晶材料を用い、新たなプロトン伝導体の合成と応用を行っています(例:J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 8505.)。有機ポリマーやセラミックスとは異なった基礎特性や用途が見つかるかもしれません。


Solid-state ion conductors are expected to be applied in various energy and environmental applications. Ion conductors of protons (H+) and lithium ions (Li+) work as materials for fuel cells and secondary batteries. We synthesize and apply new proton conductors using crystalline materials “coordination polymers” in which metal ions and bridging ligands are arranged alternately on a nanoscale (e.g. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 8505.). You may find different properties and applications from organic polymers and ceramics.

Some of these are being developed into actual fuel cells through industry-academia projects, and are being applied to fuel cell devices that are difficult with existing materials.


Ion Conductivity by Dynamics in Covalent-organic Frameworks and Cage Complexes

見た目は固体のようでありながら、内部の原子や分子が液体のように振る舞う物質は、例えば液晶や柔粘性結晶などが知られています。最近大きく発展している分子の構造体:共有結合性有機構造体(Covalent-organic framework)やかご状構造体(Cage complex)を用いて、固体内部に液体のように動く部位を導入し、イオン伝導性材料として展開しています(例:J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 1227.)。

Liquid crystals and plastic crystals are known to have internal dynamics of composed molecules and ions, although the bulk property is more like solid state.

Recently, all-organic-based periodic structures are highlighted with design principles. We incorporate liquid-like dynamic groups into these periodic structures to construct fast ion conduction pathway (J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 1227.).


Mechanochemistry of Coordination Polymer and Metal-organic Frameworks - Direct Synthesis of Solid Solution and Glass