Development of Proton-Conducting Materials and Experimental Study on Mechanism of Proton Transport

• Project/Area Number: 17350068
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Functional materials chemistry
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: SANO Mitsuru Nagoya University, 大学院・環境学研究科, 教授 (90144097)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 日比野 高士 名古屋大学, 大学院・環境学研究科, 教授 (10238321) ; 長尾 征洋 名古屋大学, 大学院・環境学研究科, 助教 (40432223)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): HIBINO Takashi 名古屋大学, 大学院・環境学研究科, 教授 (10238321) ; NAGAO Masahiro 名古屋大学, 大学院・環境学研究科, 助教 (40432223)
• Project Period (FY): 2005 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥16,440,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2008: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2007: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2006: ¥4,300,000 (Direct Cost: ¥4,300,000); Fiscal Year 2005: ¥4,600,000 (Direct Cost: ¥4,600,000)
• Keywords: 電気化学 / 膜・集合体 / 表面・界面 / センサー / 機能触媒 / 含水プロトン導電体 / プロトン導電機構 / 固体酸性 / コンポジット膜 / 電極反応 / 電気化学デバイス / プロトン導電体 / 導電機構 / 中温作動 / 無加湿作動 / コンポジット薄膜化 / 燃料電池 / ガスセンサ / 水蒸気電解 / 薄膜化 / コンポジット / 電極触媒

Research Abstract

本研究ではSnP_2O_7に着目し、そのプロトン導電性に対する低原子価カチオンのドーピング効果を研究した。SnP_2O_7は通常のリン酸塩化合物と違って、二量体構造のP_2O_7^(4-)イオンから構成されており、しかもSn^(4+)イオンとP_2O_7^(4-)イオンがNaCl型構造を示すため、二量体イオンが単位格子中に密な状態で存在している。これによって、プロトンサイト密度が高くなり、またプロトンがサイト間をホッピングする経路が多くなる。さらに、In^(3+)、Al^(3+)、またはMg^(2+)のような低原子価カチオンをドープすることで、電荷補償としてプロトンが固体内に導入され、導電率が一桁以上増加する。また、ドーパントの塩基性度によって固体表面の酸性度も制御可能である。従来のプロトン導電体では、使用可能な温度領域がNafionに代表される100℃以下の低温領域と、BaCeO_3系ペロブスカイト型酸化物に代表される400℃以上の高温領域に限られていた。本研究の成果によって、これまで空白であった100-400℃での使用が可能となり、プロトン導電体の適用範囲を大いに拡張できるものと期待される。

Research Products

• [Journal Article] Nano-sized electrochemical reactors for selective Nox reduction (2008)
  • Author(s): Shinya Teranishi, Akihito Tsuge, Atsuko Tomita, Mitsuru Sano, Takashi Hibino
  • Journal Title: Electrochemical and Solid-State Letters 11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] De-NOx reactor and NOx sensor using In^<3+>-doped SnP_2O_7 with PtRhBa/C electrode (2008)
  • Author(s): Masahiro Nagao, Takeshi Yoshii, Yousuke Namekata, Shinya Teranishi, Mitsuru Sano, Atsuko Tomita, Takashi Hibino
  • Journal Title: Solid State Ionics 179 Pages: 1655-1661
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proton conductor in SnO. 95A10. 05P207-PBI-PTFE composite membrane (2008)
  • Author(s): P. Heo, N. Kajiyama, K. Kobayashi, M. Nagao, M. Sano, T. Hibino
  • Journal Title: Electrochemical and Solid State Letters 11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] De-NOx reactor and NOx sensor using In3+-doped SnP207 with PtRhBa/C electrode (2008)
  • Author(s): M. Nagao, T. Yoshii, Y. Namekata, S. Teranishi, M. Sano, A. Tomita, T. Hibino
  • Journal Title: Solid State Ionics 179 Pages: 1655-1661
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nano-sized electrochemical reactors for selective NOx reduction (2008)
  • Author(s): S. Teranishi, A. Tsuge, A. Tomita, M. Sano, T. Hibino
  • Journal Title: Electrochemical and Solid State Letters 11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Dimethyl Ether Fuel Cells at Intermediate Temperatures (2008)
  • Author(s): P. Heo, M. Nagao, M. Sano, T. Hibino
  • Journal Title: Journal of The Electrochemical Society 155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-Chamber SOFCs Using Dimethyl Ether and Ethanol (2007)
  • Author(s): M. Yano, T. Kawai, K. Okamoto, M. Nagao, M. Sano, A. Tomita, T. Hibino
  • Journal Title: Journal of The Electrochemical Society 154
  • NAID: 120005315184
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sn0.9In0.1P2O7-based organic/inorganic composite membranes application to intermediate-temperature fuel cells (2007)
  • Author(s): P Heo, M Nagao, T Kamiya, M Sano, A Tomita, T Hibino
  • Journal Title: JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 154
  • NAID: 120005315183
• [Journal Article] A high-performance Mo2C-ZrO2 anode catalyst for intermediate-temperature fuel cells (2007)
  • Author(s): P Heo, M Nagao, M Sano, T Hibino
  • Journal Title: JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 154
  • NAID: 120005315181
• [Journal Article] Recent advances in single-chamber solid oxide fuel cells : A review (2007)
  • Author(s): M Yano, A Tomita, M Sano, T Hibino
  • Journal Title: SOLID STATE IONICS 177 Pages: 3351-3359
• [Journal Article] Proton conduction in In^<3+>-doped SnP_2O_7 at intermediate temperatures (2006)
  • Author(s): Masahiro Nagao, Toshio Kamiya, Pilwon Heo, Atsuko Tomita, Takashi Hibino, and Mitsuru Sano
  • Journal Title: Journal of The Electrochemical Society 153
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intermediate-temperature NOx sensor based on an In^<3+>-doped SnP_2O_7 proton conductor (2006)
  • Author(s): Masahiro Nagao, Yousuke Namekata, Takashi Hibino, Mitsuru Sano, and Atsuko Tomita
  • Journal Title: Electrochemical and Solid-State Letters 9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrochemical reduction of NO_x at intermediate temperatures using a proton-conducting In^<3+>-Doped SnP_2O_7 electrolyte (2006)
  • Author(s): Masahiro Nagao, Takeshi Yoshii, Takashi Hibino, Mitsuru Sano, and Atsuko Tomita
  • Journal Title: Electrochemical and Solid-State Letters 9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Proton-Conducting In^<3+>-Doped SnP_2O_7 Electrolyte for Intermediate Temperature Fuel Cells (2006)
  • Author(s): Masahiro Nagao, Akihito Takeuchi, Pilwon Heo, Takashi Hibino, Mitsuru Sano, and Atsuko Tomita
  • Journal Title: Electrochemical and Solid-State Letters 9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Performance of an intermediate-temperature fuel cell using a proton-conducting Sn0.9In0.1P2O7 electrolyte (2006)
  • Author(s): P Heo, H Shibata, M Nagao, T Hibino, M Sano
  • Journal Title: JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 153
  • NAID: 120005315182
• [Journal Article] Comparative performance of anode-supported SOFCs using a thin CeO.9GdO.1O1.95 electrolyte with an incorporated BaCeO.8Y0.2O3-alpha layer in hydrogen and methane (2006)
  • Author(s): A Tomita, S Teranishi, M Nagao, T Hibino, M Sano
  • Journal Title: JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 153
• [Journal Article] Proton conduction in In3+-doped SnP2O7 at intermediate temperatures (2006)
  • Author(s): M Nagao, T Kamiya, P Heo, A Tomita, T Hibino, M Sano
  • Journal Title: JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 153
• [Journal Article] Chemical and redox stabilities of a solid oxide fuel cell with BaCe0.8Y0.2O3-alpha functioning as an electrolyte and as an anode (2006)
  • Author(s): A Tomita, K Tsunekawa, T Hibino, S Teranishi, Y Tachi, M Sano
  • Journal Title: SOLID STATE IONICS 177 Pages: 2951-2956
• [Journal Article] Electrochemical Reduction of NOx at Intermediate Temperatures Usinga a Proton-Conducting In^<3+>-Doped SnP_2O_7 Electrolyte (2006)
  • Author(s): M.Nagao, T.Yoshii, T.Hibino, M.Sano, A.Tomita
  • Journal Title: Electrochemical and Solid-State Letters 9
• [Journal Article] A Proton-Conducting In^<3+>-Doped SnP_2O_7 Electrolyte for Intermediate Temperature Fuel Cell (2006)
  • Author(s): M.Nagao, T.Takeuchi, P.Heo, T.Hibino, M.Sano, A.Tomita
  • Journal Title: Electrochemical arid Solid-State Letters 9
• [Journal Article] MP_2O_7系固体電解質のプロトン導電性とその応用 (2005)
  • Author(s): 長尾征洋, 冨田衷子, 日比野高士, 佐野 充
  • Journal Title: Electrochemistry 73 Pages: 846-850
  • NAID: 10015607439
• [Journal Article] Surface Modification of a Doped BaCeO_3 to Function as an Electrolyte and as an Anode for SOFCs (2005)
  • Author(s): A.Tomita, T.Hibino, M.Sano
  • Journal Title: Electrochemical and Solid-State Letters 8
• [Journal Article] Mp_2O_7系固体電解質のプロトン導電性とその応用 (2005)
  • Author(s): 長尾征洋, 冨田衷子, 日比野高士, 佐野充
  • Journal Title: Electrochemistry 73 Pages: 846-850
  • NAID: 10015607439
• [Journal Article] Proton conductivity and solid acidity of Mg^-, In^-, and Al-doped SnP_2O_7
  • Author(s): Kouji Genzaki, Pilwon Heo, Mitsuru Sano, Takashi Hibino
  • Journal Title: Journal of The Electrochemical Society (in press)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A fuel cell stack with high selective electrodes in a mixture of hydrogen air (2008)
  • Author(s): Masahiro Nagao, Yousuke Namekata, Pilwon Heo, Mitsuru Sano, and Takashi Hibino
  • Organizer: PRiME 2008 (2008年電気化学日米合同大会)
  • Place of Presentation: ハワイ州ホノルル
  • Year and Date: 2008-10-15
• [Presentation] A fuel cell stack with high selective electrodes in amixture of hydrogen air (2008)
  • Author(s): M. Nagao, Y. Namekata, P. Heo, M. Sano, T. Hibino
  • Organizer: PRiME 2008(2008年電気化学日米合同大会)
  • Place of Presentation: ハワイ州ホノルル
  • Year and Date: 2008-10-15
• [Presentation] 中温作動燃料電池における新規高活性カソードの作製 (2008)
  • Author(s): 原田敏彦, 許弼源, 佐野充, 日比野高士
  • Organizer: 第102回触媒討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2008-09-25
• [Presentation] 炭化水素を直接燃料として使用した中温作動燃料電池の開発 (2008)
  • Author(s): 伊藤健一, 許弼源, 佐野充, 日比野高士
  • Organizer: 第102回触媒討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2008-09-25
• [Presentation] 炭化水素を直接燃料として使用した中温作動燃料電池の開発 (2008)
  • Author(s): 伊藤健一, 許 弼源, 佐野 充, 日比野高士
  • Organizer: 電気化学会第75回大会
  • Place of Presentation: 山梨大学
  • Year and Date: 2008-03-31
• [Presentation] 中温作動燃料電池における新規高活性カソードの作製とMEA化 (2008)
  • Author(s): 原田敏彦, 許 弼源, 佐野 充日比野高士
  • Organizer: 電気化学会第75回大会
  • Place of Presentation: 山梨大学
  • Year and Date: 2008-03-31
• [Presentation] 高選択反応性電極を用いたセパレータフリー燃料電池のスタック化 (2007)
  • Author(s): 長尾征洋, 行方陽介, 日比野高士, 佐野 充
  • Organizer: 第48回電池討論会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
  • Year and Date: 2007-11-13
• [Presentation] In^<3+>ドープSnP_2O_7を電解質に用いた室温作動型水素センサ (2007)
  • Author(s): 行方陽介, 冨田衷子, 長尾征洋, 日比野高士
  • Organizer: 電気化学会第74回大会
  • Place of Presentation: 東京理科大学
  • Year and Date: 2007-03-31
• [Presentation] 局所電池型NO_x還元触媒へのRhの添加効果 (2007)
  • Author(s): 吉井健師, 長尾征洋, 冨田衷子, 日比野高士
  • Organizer: 電気化学会第74回大会
  • Place of Presentation: 東京理科大学
  • Year and Date: 2007-03-31
• [Presentation] In^<3+>ドープSnP_2O_7を電解質に用いた室温水素センサ (2006)
  • Author(s): 行方陽介, 長尾征洋, 日比野高士, 佐野 充, 冨田衷子
  • Organizer: 2006年電気化学会秋季大会
  • Place of Presentation: 同志社大学
  • Year and Date: 2006-09-15
• [Presentation] 中温燃料電池におけるPt代替触媒の開発 (2006)
  • Author(s): 柴田英高, 許 弼源, 長尾征洋, 日比野高士, 佐野 充, 冨田衷子
  • Organizer: 2006年電気化学会秋季大会
  • Place of Presentation: 同志社大学
  • Year and Date: 2006-09-14
• [Presentation] In^<3+>ドープSnP_2O_7を含む有機/無機コンポジット膜の作製と燃料電池特性評価 (2006)
  • Author(s): 長尾征洋, 神谷利男, 許 弼源, 日比野高士, 佐野 充, 冨田衷子
  • Organizer: 2006年電気化学会秋季大会
  • Place of Presentation: 同志社大学
  • Year and Date: 2006-09-14
• [Presentation] P_2O_7量のIn^<3+>ドープSnP_2O_7の導電性への影響 (2006)
  • Author(s): 神谷利男, 長尾征洋, 許 弼源, 日比野高士, 佐野 充, 冨田衷子
  • Organizer: 電気化学会第73回大会
  • Place of Presentation: 首都東京大学
  • Year and Date: 2006-04-03
• [Presentation] InドープSnP_2O_7を電解質に用いた中温領域作動型 (2005)
  • Author(s): 吉井健師, 長尾征洋, 日比野高士, 佐野 充, 冨田衷子
  • Organizer: NO分解リアクター
  • Place of Presentation: 千葉大学
  • Year and Date: 2005-09-09
• [Book] ナノイオニクス最新技術とその展望 (2008)
  • Author(s): 長尾征洋, 日比野高士, 佐野充
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Book] ナノイオニクス 最新技術とその展望 (2008)
  • Author(s): 長尾征洋、日比野高士、佐野 充
  • Total Pages: 308
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Book] 名古屋大学環境学研究科「環境学研究ソースブック」 (2005)
  • Author(s): 日比野高士, 佐野充
  • Total Pages: 4
  • Publisher: 藤原書店
• [Remarks]
  • URL: http://www.urban.env.nagoya-u.ac.jp/~sanohp/index.html