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金属酸ハロゲン化物の新規酸化物イオン伝導体創出と構造科学

Research Project

Project/Area Number 23K04887
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

藤井 孝太郎  東京工業大学, 理学院, 助教 (30635123)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords酸化物イオン伝導体 / 酸ハロゲン化物 / イオン伝導体
Outline of Research at the Start

従来は,酸化物イオン伝導体であれば金属酸化物,ハロゲン化物イオン伝導体であれば金属ハロゲン化物を中心に研究がされてきた.本課題では,酸化物イオンとハロゲン化物イオンを同時に含む金属酸ハロゲン化物の合成・電気的特性の評価・構造解析や理論計算に基づく伝導メカニズムの解明を通して,新しいイオン伝導体の創製と金属酸ハロゲン化物におけるイオン伝導の学理構築を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

セラミックス酸化物イオン伝導体は,固体酸化物形燃料電池や酸素センサー等に応用ができるため次世代のエネルギー問題を解決する糸口となる重要な材料である.これまで多くの酸化物イオン伝導体が発見,研究されてきたが,そのほとんどは金属酸化物に限定されている.一方,アニオン種としてハロゲン化物イオンも含む酸ハロゲン化物(metal oxyhalides)の酸化物イオン伝導体は報告事例が極端に少なく,未だに多くの新しい酸化物イオン伝導体が潜んでいる可能性がある材料群である.本研究課題では,特に酸ハロゲン化物に注目し,種々の戦略で,合成・物性評価を行い新しい酸化物イオン伝導体を探索し,構造解析と理論計算によって機能発現の要因解明を行うことを目的としている.酸化物イオン伝導体の候補材料は,プロトン伝導を示すものもあるため,プロトン伝導の特性についても検討を行う.
2023年度は,Biを含むoxychloride(酸塩化物)に注目した材料探索により,既存の材料を大きく上回るイオン伝導度をもつ酸化物イオン伝導体を発見することに成功した.複数の材料を合成し,最も高い伝導度を示す組成について詳細を調べた.また高温中性子回折に基づく構造解析から,酸化物イオン伝導経路を明らかにし,理論計算からその妥当性についても議論した.この他にも伝導度の高い酸化物イオン伝導体やプロトン伝導体を発見した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

発見した酸化物イオン伝導体は,実用材料であるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)などよりも圧倒的に高い伝導度をもっており,本課題の戦略である酸ハロゲン化物に注目した研究が革新的な酸化物イオン伝導体の創成に効果的であることを示す結果である.また,その高いイオン伝導度を示す構造的な要因も明らかにできており,今後の新材料探索指針に大きく寄与する重要な成果が得られたといえる.

Strategy for Future Research Activity

2023年度に発見した材料が示す高いイオン伝導度に注目し,材料探索指針をさらに改良して研究を進める.また,他にも比較的高い伝導度を示す材料が見つかっているため,今後,詳細な電気化学測定を進め,組成の改良も行うことで酸化物イオン伝導度の高い新材料を創っていく.見つけた新材料については,X線や中性子を利用した構造解析や,理論計算を用いて,イオン伝導度と構造の関係を明らかにしていく.

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2024 2023

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 3 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] High Conductivity and Diffusion Mechanism of Oxide Ions in Triple Fluorite-Like Layers of Oxyhalides2024

    • Author(s)
      Nachi Ueno,Hiroshi Yaguchi,Kotaro Fujii,Masatomo Yashima
    • Journal Title

      J. Am. Chem. Soc.

      Volume: 146 Pages: 11235-11244

    • DOI

      10.1021/jacs.4c00265

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] High proton conduction in Ba2LuAlO5 with highly oxygen-deficient layers2023

    • Author(s)
      Morikawa Riho、Murakami Taito、Fujii Kotaro、Avdeev Maxim、Ikeda Yoichi、Nambu Yusuke、Yashima Masatomo
    • Journal Title

      Communications Materials

      Volume: 4 Issue: 1 Pages: 42-42

    • DOI

      10.1038/s43246-023-00364-5

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dimer-Mediated Cooperative Mechanism of Ultrafast-Ion Conduction in Hexagonal Perovskite-Related Oxides2023

    • Author(s)
      Sakuda Yuichi、Murakami Taito、Avdeev Maxim、Fujii Kotaro、Yasui Yuta、Hester James R.、Hagihala Masato、Ikeda Yoichi、Nambu Yusuke、Yashima Masatomo
    • Journal Title

      Chemistry of Materials

      Volume: 35 Issue: 22 Pages: 9774-9788

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.3c02378

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 中性子回折実験による六方ペロブスカイト関連酸化物Ba7Nb4MoO20系材料の結晶構造とイオン伝導メカニズム2024

    • Author(s)
      作田祐一,村上泰斗,Maxim Avdeev,藤井孝太郎,安井雄太,James R. Hester,萩原雅人,池田陽一,南部雄亮,八島正知
    • Organizer
      2023年度量子ビームサイエンスフェスタ 第15回 MLFシンポジウム,第41回PFシンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 中性子回折・散乱を用いた新規イオン伝導体の構造科学2024

    • Author(s)
      藤井孝太郎,作田祐一,斎藤馨 ,松崎航平,八島正知,鳥居周輝,齊藤高志,森一広,神山崇,池田一貴,大友 季哉,大原高志,安井雄太,矢口寛
    • Organizer
      2023年度量子ビームサイエンスフェスタ 第15回 MLFシンポジウム,第41回PFシンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] High Oxide-ion Conduction and Crystal Structure of Sillen Oxychlorides2024

    • Author(s)
      Nachi Ueno,Hiroshi Yaguchi,Kotaro Fujii,Masatomo Yashima
    • Organizer
      International Core-to-Core Symposium on Mixed-Anion Compounds 2024
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 大量の酸素空孔を含む物質に着目した新規超イオン伝導体の創製2024

    • Author(s)
      八島正知,作田祐一,齊藤馨,藤井孝太郎
    • Organizer
      日本セラミックス協会 2024年年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Structural Science of New Ionic Conductors2023

    • Author(s)
      Kotaro Fujii,Masatomo Yashima
    • Organizer
      IUCr2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 新規シレン金属酸塩化物の発見と高酸化物イオン伝導2023

    • Author(s)
      上野那智,矢口寛,藤井孝太郎,八島正知
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第36回秋季秋季シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] パルミエライトと12Rペロブスカイト層から成るハイブリッド材料における高速ハイブリッドイオン伝導とそのメカニズム2023

    • Author(s)
      作田祐一,藤井孝太郎,安井雄太,八島正知,萩原雅人,Maxim Avdeev,James R. Hester
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第36回秋季秋季シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Ba7Nb4MoO20 におけるNb/Mo 占有規則の解明2023

    • Author(s)
      藤井 孝太郎,安井 雄太,丹所 正孝,作田 祐一,後藤 敦,大木 忍,最上 祐貴,飯島 隆広,河口 彰吾,小林 慎太郎,大坂 恵一,池田 一貴,大友 季哉,八島 正知
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第36回秋季秋季シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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