プレスリリース・研究成果

　東京工業大学理学院化学系の八島正知教授、森川里穂大学院生（研究当時）、村上泰斗特任助教（研究当時）、藤井孝太郎助教は、中低温域で世界最高のプロトン（H⁺、水素イオン）伝導度を示す新物質Ba₂LuAlO₅を創製・発見した。さらに東北大学金属材料研究所の南部雄亮准教授、池田陽一助教と共同での中性子回折データを用いた結晶構造解析と、豪州原子力科学技術機構（ANSTO）のアブディーフ・マキシム博士（研究当時は東京工業大学客員研究員兼務）と共同での第一原理分子動力学シミュレーションにより、プロトン伝導機構を明らかにした。

現在実用化されている固体酸化物形燃料電池（SOFC）は動作温度が高いため、低コスト化と用途拡大のために、中低温域（300～600°C）で高いプロトン伝導度を示す材料が求められている。従来の候補材料であるペロブスカイト型プロトン伝導体では、高い伝導度を実現するために化学置換が必要である。一方、六方ペロブスカイト関連酸化物は近年、化学置換なしで比較的高いプロトン伝導度を示す新材料として注目されているが、プロトン伝導度が十分高くはなかった。

　今回、酸素空孔を大量に含む新しい材料の探索により、新物質Ba₂LuAlO₅を創製・発見した。このBa₂LuAlO₅が六方ペロブスカイト関連酸化物であることが、結晶構造解析によって確認された。化学置換していないBa₂LuAlO₅のプロトン伝導度を測定したところ、既知のセラミック材料よりも高かった。さらに第一原理分子動力学シミュレーションの結果から、化学置換しなくても、酸素空孔が大量に存在するBaO層で水和が起こるためプロトン濃度が高いこと、LuO₆八面体層の間に存在する最密充填BaO₃層においてプロトンが高速移動することが、高いプロトン伝導度の原因であることが分かった。

　本研究成果は2023年6月6日（英国時間）にネイチャー・ポートフォリオの学術誌「Communications Materials」に掲載されました。