2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of proton-conducting oxides based on proton trapping
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15H02287
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
山崎 仁丈 九州大学, 稲盛フロンティア研究センター, 教授 (30292246)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桑原 彰秀 一般財団法人ファインセラミックスセンター, ナノ構造研究所, 主任研究員 (30378799)
奥山 勇治 宮崎大学, テニュアトラック推進機構, 准教授 (80613281)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 機能性酸化物 / プロトン伝導性酸化物 / プロトントラップ / 拡散 / 電気化学 / 第一原理計算 / 局所構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、代表者が見いだしたプロトントラップ現象を基盤として、代表者のシーズ技術である最先端プロトン計測技術と高精度第一原理計算を組み合わせ、プロトン伝導性固体酸化物形燃料電池電解質におけるプロトン伝導発現の起源を明確にし、高速プロトン伝導のための材料設計指針を打ち出す。 プロトンと引き合う元素を金属酸化物に添加した場合にのみ、ヒドロキシ基（OH）が酸素空孔を占有し（水和反応）、プロトン（H+）伝導が誘起される。その添加元素とプロトンの会合エネルギーがまさにプロトン拡散係数を決定する（プロトントラップ）。
今年度はイオン半径の異なる元素（M=Sc, Y）を添加したジルコン酸バリウム（BaZr0.8M0.2O3-δ）において、その場X線吸収分光法と熱重量測定を組み合わせることにより、水和反応に伴う電子・局所構造変化を観測した。これらの手法の組み合わせにより、その場X線吸収分光法測定条件下のプロトン濃度を規定することが可能となる。その場X線吸収分光法の結果、Sc添加試料において水和反応進行に伴い、Zrの吸収スペクトルは変化せず、Scのみ顕著に変化することが分かった。このことは、ドーパント添加による酸素空孔がSc周囲に選択的に生成することを示唆する結果である。さらに、第一原理計算を駆使して、ドーパントの幾何学的配置を考慮した安定構造の検討を行ったところ、X線吸収分光法にて得られている結果と同様に、酸素空孔がScに選択的に配位する構造が最安定であることが分かった。
共同研究を円滑に進めるため、今年度は２回の基盤A研究会を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、その場X線吸収分光法、熱重量分析および第一原理計算を用いることにより、水和反応に伴う電子・局所構造変化の観測を行った。Zrサイトの一部をドーパント(Sc, Y)で置換したジルコン酸バリウムにおいて、ペロブスカイト構造におけるドーパントの幾何学的な配置が水和反応に寄与していることが浮き彫りとなってきている。さらに、X線吸収分光法にて観測されたドーパント配置は、第一原理計算により得られる安定なドーパント配置と良い一致を示すことが分かった。これらの成果は当初の計画である水和反応の熱力学と、相関する因子を明らかにする研究を遂行した成果である。以上のことから、上記の評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度行ったX線吸収分光法測定を引き続き測定・解析する。熱重量分析による水和反応の観測を行い、水和反応の熱力学因子を本年度明らかとなったドーパントの幾何学的な配置に起因する欠陥構造の違いを考慮したモデルにて説明する。
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