一般に欠陥という言葉は、imperfectionやlack などのように否定的な意味合いを持ちます。しかし材料科学における欠陥（defects）とは、外界から材料中に導入された原子（interstitial atom）や、もともと存在した原子が材料から抜けた空孔（vacancy）を指します。そして水素欠陥は、ホスト材料との電子的な相互作用を経て分子状水素では持ち得なかった高い拡散能や優れた化学反応性を発現し、材料機能を決定づけます。 その意味で材料中の水素欠陥は、水素イオン材料研究におけるまさに中核的な存在です。

実際、材料研究の歴史を振り返っても、水素欠陥が材料機能を決定してきた例は数多く存在します。正に荷電した酸素欠損を水和することで導入されたプロトン（VO•• + H2O → OO× + 2Hi• ）は、ペロブスカイト型酸化物では中温域燃料電池のイオンキャリアとして、またはゼオライトにおける石油精製用触媒の酸点として機能します。さらに、アモルファスシリコン中の格子間水素は、ギャップ内準位となるダングリングボンドDBを不活性化し（DBSi× + 2Hi× → (Si-H)Si× ）、低コスト太陽電池技術の発展を支えてきました。

本グループでは、
1．酸化物へのヒドリド置換（VO× + Hi× → HO• + e′）による電子ドーピングと超伝導化、
2．水素化物への酸素置換（2HH× + Oi× → OH• + VH′）による半導体化、
3．酸化物MLCCへの格子間水素導入（OO× + Hi× → (OH)O• + e′）に伴う特性劣化機構の解明、
を実現しました。

ホスト材料の電子構造と化学結合状態から水素欠陥の機能を設計し、新材料と新機能の開拓を進めています。

驚くべきことに、特定の固体中の水素は室温で水中の水素と同等もしくはそれ以上に速く拡散することが知られています。燃料電池においては二枚の電極に挟まれた電解質がプロトンを高速に伝導させることで電気回路を作ります。また、種々の水素化触媒においても触媒やその担体表面における水素の高速拡散が機能の一端を担っています。

本グループでは、
1．酸素を置換した水素化ランタンにおいて世界初の室温ヒドリドイオン伝導の達成、
2．ヒドリドイオン伝導性薄膜を用いた新型抵抗変化メモリ、
を実現しました。

現在は機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションを導入し、より効率的な新規高速水素イオン拡散材料の探索と機構の解明に取り組んでいます。

金属中に多様な水素欠陥を意図的に導入することで、優れた水素化触媒活性を付与できると考えています。自由電子に埋もれて捉えにくい金属中の電子軌道を解析し、所望の水素欠陥を有する金属材料を設計・合成し、二酸化炭素電解還元用電極触媒としての性能評価を行っています。

一方、化学反応は固体表面で進行するため、触媒開発では表面構造と組成の精密な設計が不可欠です。しかし、固体表面はバルクとは異なる独自の構造・組成を持つことが多く、現在でも限られた物質でしか同定されていません。
さらに、水素は電子を一つしか持たず、ほぼすべての物質が微量の水素を保持するため、最も分析が困難な元素の一つとされています。そのため、表面水素の構造解析は材料科学において最難関の課題の一つです。

そこで私たちは、水素および表面に高い感度を有する低速イオンビーム分析手法（Elastic Recoil Detection Analysis（ERDA）、Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry（ToF-SIMS）、Low-Energy Ion Scattering（LEIS））
に着目し、独自開発した装置を用いて表面水素の構造解析および表面反応の解明に取り組んでいます。