| Project/Area Number |
23KJ0953
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
齊藤 馨 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000)
Fiscal Year 2025: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2024: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2023: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | プロトン伝導体 / 新物質 / ペロブスカイト / 結晶構造解析 / 第一原理分子動力学シミュレーション / 中性子準弾性散乱 |
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| Outline of Research at the Start |
本課題では，従来の高イオン伝導体の材料設計法である「ドーピングによる伝導度向上」と全く異なる新しい手法「本質的な酸素空孔と，その幾何学的配列」に注目し，新型イオン伝導体を探索する．申請者は 1 次元，2 次元，3 次元と孤立した配列等の「本質的な酸素空孔の特異な幾何学的配列」を持つ物質を探索する事を着想した．候補材料の合成と電気化学測定により新型イオン伝導体を探索する．200 °C で実用化に必要となる 0.01 S cm－1 のイオン伝導度を目標とする．中性子・放射光 X 線回折構造解析と理論計算により，酸素空孔の配列と伝導度の関係を調べ新しい構造物性分野を確立する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題は従来の高イオン伝導体の材料設計法である「アクセプタードーピングによる伝導度向上」とは全く異なる新しい手法「本質的な酸素空孔の幾何学的配列に着目した新型高イオン伝導体の探索」を提案して実証すること，イオン伝導の構造的要因を明らかにすることを目的としている．2023年度は，新規プロトン伝導体を発見し，高いプロトン伝導度を示す要因を熱重量分析，中性子回折，第一原理分子動力学シミュレーションにより解明した．プロトン伝導体は，プロトン（H+）が伝導する物質であり，水素ポンプやプロトンセラミック燃料電池など幅広い応用のある，クリーンエネルギー材料として期待されている．プロトン伝導度を向上させる従来の戦略はアクセプタードーピングである．しかし，アクセプタードーピングはアクセプター近傍におけるプロトントラッピングを引き起こし，プロトン伝導度が中低温で低くなる課題があった．一方で近年，従来戦略とは大きく異なる「本質的な酸素空孔」という新戦略で新しいプロトン伝導体がいくつか報告されている．しかしながら，研究は二次元に規則化した本質的な酸素空孔を持つ材料に集中していた．本課題では，三次元に不規則化した本質的な酸素空孔を持つ材料BaScO2.5に着目し，研究を行った．新物質であるMoドナーを添加したBaScO2.5が世界最高のプロトン伝導度を示すことを発見し，その要因を解明することで，「不規則化した本質的な酸素空孔を持つ酸化物へのドナードーピング」というプロトン伝導体の新しい設計戦略を提案・実証することが出来た．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題は世界最高のプロトン伝導度を示す新物質を発見しているだけではなく，その伝導メカニズムを明らかにすることにより，従来戦略とは全く異なる新しい材料設計戦略の提案まで行っており，当初の計画以上に進展している．
不規則化した本質的な酸素空孔を持つBaScO2.5にMoドナーを添加したBaSc0.8Mo0.2O2.8は，中低温で世界最高のプロトン伝導度を示すことが明らかになった．BaSc0.8Mo0.2O2.8は化学的安定性も高いことが分かった．中性子回折データを最大エントロピー法により解析して中性子散乱長密度分布を得ると，デューテロンがサイト間で連結しており，プロトンのホッピングが示唆された．また，結合原子価法により得られたプロトンのエネルギー等値面は三次元のプロトン拡散経路を示しており，BaSc0.8Mo0.2O2.8における不規則化した酸素空孔が三次元のプロトン拡散を可能にしている．BaSc0.8Mo0.2O2.8の拡散係数の活性化エネルギーを見積もると，従来のアクセプタードーピングされたプロトン伝導体に比べてBaSc0.8Mo0.2O2.8の活性化エネルギーが低く，プロトントラップの軽減が示唆された．第一原理シミュレーションを行うと，Mo6+ドナーとプロトンH+の反発が示され，プロトントラップの軽減を支持している．本成果はハイインパクトジャーナルNature Communicationsに掲載され，プレス発表も行い，日刊工業新聞・科学新聞・Chem-Stationなどに取り挙げられた．この成果により国際会議・国内会議で発表を行った．2023年度の学会等での受賞は4件にもなっている．以上の理由により，研究は当初の計画以上に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は不規則化した本質的な酸素空孔を持つBaScO2.5にMoドナーを添加したBaSc0.8Mo0.2O2.8を発見することに成功した．この成果は従来の高イオン伝導体の材料設計法である「アクセプタードーピングによる伝導度向上」とは全く異なる新しい手法「本質的な酸素空孔の幾何学的配列に着目した新型高イオン伝導体の探索」により実現された．2024年度以降は本質的な酸素空孔を持つより多くの新物質を探索することに挑戦していく．本質的な酸素空孔を含むプロトン伝導体や酸化物イオン伝導体の伝導機構は殆ど研究されておらず，構造物性の研究も多くの成果が上がると期待できる．
材料探索の結果，BaSc0.8Mo0.2O2.8よりプロトン伝導度の高い新物質も複数発見しつつあるので，これまで同様中性子回折により静的な構造を調べるとともに，実験的な中性子準弾性散乱と第一原理分子動力学シミュレーションを組み合わせることにより動的な構造を調べ，新しい構造科学分野を切り開いていく．また，実用化に向けた研究を国際的な共同研究により推進していく．国際学会・国内学会にも積極的に参加し，国際的なプレゼンスも高めていく予定である．
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