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完全水和と大量の酸素空孔により世界最高クラスのプロトン伝導度を示す新六方ペロブスカイト関連酸化物を創製・発見 －中温で高性能な燃料電池を低コストで製造可能に－

2024/07/08

要点

  • 六方ペロブスカイト関連酸化物の新物質群を創製し、Ba5Er2Al2SnO13が世界最高クラスのプロトン伝導度と高い安定性を示すことを発見。
  • Ba5Er2Al2SnO13の高いプロトン伝導度は、完全水和と大量の酸素空孔による高プロトン濃度と八面体層における高速プロトン移動が原因であることを解明。
  • 低コストで製造できる高性能燃料電池の開発につながると期待。

概要

東京工業大学 理学院 化学系の八島正知教授、松崎航平大学院生（研究当時）、齊藤馨大学院生は、中低温で世界最高クラスのプロトン（H+、水素イオン）伝導度を示す新物質Ba5Er2Al2SnO13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中性子回折データを測定し、結晶構造を明らかにした。また第一原理分子動力学シミュレーションを行い、高いプロトン伝導度の原因を明らかにした。

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、中温（300℃付近）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。しかし、これらの材料は、水の取り込み率が100%ではなく、伝導度をさらに向上させる余地があった。

今回の研究では、六方ペロブスカイト関連酸化物の新物質群Ba5R2Al2SnO13 (R = Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm, Yb)を創製・発見した。中でも、Ba5Er2Al2SnO13は世界最高クラスのプロトン伝導度、高い安定性と完全水和（100%の水の取り込み率）を示すことが分かった。結晶構造解析やシミュレーションの結果、酸素空孔が大量に存在するBaO層で完全水和が起こるためプロトン濃度が高いこと、[ErO6–ZrO6–ErO6]八面体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2024年6月25日（米国時間）に米国化学会の学術誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載された。

詳細

図1  Ba5Er2Al2SnO13の高いプロトン伝導度とその原因。 （a）Ba5Er2Al2SnO13のプロトン伝導度のアレニウスプロットと（b）Ba5Er2Al2SnO13の高い酸素空孔量と高い水の取り込み率および高いプロトン濃度。(c）第一原理分子動力学シミュレーションにより得られたBa5Er2Al2SnO13のプロトンの軌跡。[ErO6–ZrO6–ErO6]八面体層においてプロトンが高速移動することを示している。（©著者ら、2024）

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