2017 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, その他部局等, 主任研究員 (30378799)
奥山 勇治 宮崎大学, 工学部, 准教授 (80613281)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | プロトン伝導性酸化物 / プロトントラップ / 第一原理計算 / 拡散 / 電気化学 / 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）。
プロトンが置換元素から第1～16隣接位置を占有するときの会合エネルギーをそれぞれ計算し、置換元素のイオン半径に対してプロットした。会合エネルギーの絶対値が最も大きなものを選んでイオン半径に対してプロットすると火山型を示し、会合エネルギーの絶対値はイオン半径が0.89 Å（Er、LuおよびY）付近で最小を示すことがわかった。Y置換ジルコン酸バリウムは最も高いプロトン伝導度を示すものと知られているが、この結果は、ErまたはLu置換によってプロトン伝導度がさらに高くなる可能性を示すものである。
実験的にプロトン拡散係数を決定したところ、そのアレニウスプロットはすべての置換元素において下方への折れ曲がりを示し、いずれの置換元素の場合においてもプロトントラップが起きていることがわかった。この曲がりから会合エネルギーを決定し、イオン半径に対してプロットした所、計算で求めたように火山型を示し、計算を極めてよく再現する結果が得られた。Lu置換において最も小さな会合エネルギーが得られ、この時、Y置換に比べて2~3倍高いプロトン伝導度が得られた。
共同研究を円滑に進めるため、最終度は3回の基盤A研究会を行った。
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| Research Progress Status |
29年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
29年度が最終年度であるため、記入しない。
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