固体NMR法による酸素欠陥構造定量解析と材料開発に向けた指針構築

• Project/Area Number: 20H00959
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: 2190:Physical chemistry, functional solid state chemistry, organic chemistry, inorganic/coordination chemistry, analytical chemistry, polymers, organic materials, inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, biomolecular chemistry and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: ANDO MARIKO 東北大学, 工学研究科, 技術専門職員
• Project Period (FY): 2020-04-01 –
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥460,000 (Direct Cost: ¥460,000); Fiscal Year 2020: ¥460,000 (Direct Cost: ¥460,000)
• Keywords: 核磁気共鳴装置 / 固体NMR / 燃料電池 / 材料開発 / 局所構造解析

Outline of Research at the Start

燃料電池の一種である固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、イオン伝導性を示す酸化物を電解質に用いて高温で作動する。SOFCに使われる酸素イオン伝導性を示す電解質は酸化物イオン伝導体と呼ばれ、(Bi_2O_3)_<1-x>(Y_2O_3)_xは、その中でも、非常に高い伝導度を示すことで知られている。イオン伝導度にはその酸素欠陥構造と深い関連があり、酸素欠陥構造の解析を行うことは重要である。本研究では、固体NMR法を用いて酸化物伝導体の局所構造解析を行うことで、イオン伝導度と酸素欠陥構造の関連を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

結晶性イオン伝導体は固体酸化物燃料電池の電解質材料として研究が盛んに行われている。優れたイオン伝導体を開発するためにはイオン伝導の機構を調べることが重要であり、結晶性イオン伝導体に添加されたイオンと、それによって生じた周辺の欠陥等の局所構造解析を調べることは高イオン伝導機構解明のための重要な情報源となる。ビスマス系酸化物伝導体は、他の酸化物イオン伝導体と比較してもそのイオン伝導度は高い物質群として知られている。
Ｙ添加量に伴うY-89, O-17 NMRスペクトル変化から、(Bi2O3)1-x(Y2O3)xのより詳細な酸素欠陥構造の解析を目的とした。

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

（Bi2O3）1-x(Y2O3)のO-17NMR測定はそのまま測定したのでは感度が悪く、信号はノイズレベルであった。そこで、置換装置を用いてO-17同位体置換の条件検討を行い、通常の1000倍程度の感度向上を達成した。O-17置換した（Bi2O3）1-x(Y2O3)を用いてO-17NMR測定を行い、詳細な構造解析を行った。各組成毎の波形分離から、定量的に各酸素サイトの存在比を比較することが出来きた。Y-89NMRの結果も合わせると、組成におけるY添加量が増えると、Body diagonal<1,1,1>V0-V0 pairを持つ6配位のイットリウムも増えていくことが分かった。