2016 Fiscal Year Annual Research Report
結合原子価エネルギーによるイオン伝導性新構造ファミリーの探索
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15H02291
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
八島 正知 東京工業大学, 理学院, 教授 (00239740)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石原 達己 九州大学, 工学研究院, 教授 (80184555) [Withdrawn]
萩原 英久 九州大学, 工学研究院, 助教 (30574793)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | イオン伝導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エネルギー環境分野の技術革新には新しいイオン伝導体の探索と発見が必要である．昨年度2015年度にPb3GeAl10O20型LaSr2Ga11O20が，酸化物イオン伝導性を示す新しい構造ファミリーであることを発見したので，15組成のPb3GeAl10O20型酸化物を合成し，結晶構造とイオン伝導を調べた．その結果いくつかの新物質も発見した．イオン伝導体の新構造ファミリーLaSr2Ga11O20について，様々な組成の合成を行い，電気伝導度と結晶構造を評価した．結晶相の評価と結晶構造解析にはX線回折法だけではなく中性子回折法を利用した．301 K~1073 KにおいてLaSr2Ga11O20，La1.02Sr1.98Ga11O20.01，La0.99Sr2.01Ga11O19.995の結晶構造は単斜晶系I2/mのPb3GeAl10O20型であり，相転移がないことがわかった．La1.02Sr1.98Ga11O20.01とLa0.99Sr2.01Ga11O19.995の電気伝導度は酸素分圧に依存しないので，酸化物イオン伝導が強く示唆された．La1.02Sr1.98Ga11O20.01とLa0.99Sr2.01Ga11O19.995の酸化物イオン伝導度は，基本物質 LaSr2Ga11O20より高いことがわかった．La1.02Sr1.98Ga11O20.01のイオン伝導には格子間酸素が寄与しており，一方，La0.99Sr2.01Ga11O19.995の酸化物イオン伝導には酸素空孔が関与していると考察した．この一連のイオン伝導体では酸化物イオンがGaO6八面体あるいはGaO6四面体の稜に沿って移動しうることが結合原子価法により示唆された．また，2015年度に引き続き，イオン伝導体として過去に検討されてこなかった構造ファミリー(グループ)の物質群について、結晶格子中をイオンが移動できる経路が存在するか否かを、結合原子価の総和図あるいはエネルギー図により検討した．その結果，Inと希土類元素を含むイオン伝導体の新構造ファミリーを発見した．
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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
交付申請書に記した計画，「イオン伝導が報告されていない基本物質について結合原子価に基づいたエネルギー図を計算する．具体的には最初にInや希土類を含む系を選択して結合原子価の総和図を計算し，エネルギーが低い経路が格子を横切って連結するか否か、すなわちボトルネックが広いかどうかを調べる．経路が連結した物質群を実際に固相法により合成し、電気伝導度の温度依存性および酸素分圧依存性を調べる．合成した試料をX線回折(XRD)，ICP元素分析などで化学組成と結晶相を調べ，単相ができているかどうか確認する．できない場合には、焼成温度と時間と冷却速度を工夫するXRDデータのリートベルト解析で結晶相と不純物を精査、格子定数と陽イオンの位置を決定する．生成相の評価にはX線回折を用いる．イオン伝導性あるいは電気伝導性が確認されれば、化学組成を変えたサンプルを多数合成、電気伝導度を測定して高いイオン伝導度を示す新物質を探索する．イオン伝導度が高い組成の試料について室温から高温まで中性子回折および放射光X線回折実験により結晶構造とイオン伝導経路を実験で調べて、結晶構造とイオン伝導度の関係を明らかにする．昨年見出したイオン伝導性新構造ファミリーについて組成を調整し，新たなイオン伝導体を探索する．昨年見出したイオン伝導性新構造ファミリーについて組成を調整し，新たなイオン伝導体を探索する．」をおおむね実施した．
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| Strategy for Future Research Activity |
イオン伝導が報告されていない基本物質について結合原子価に基づいたエネルギー図を計算する．具体的には最初にSnやZnを含む系を選択して結合原子価の総和図を計算し，エネルギーが低い経路が格子を横切って連結するか否か、すなわちボトルネックが広いかどうかを調べる．経路が連結した物質群を実際に固相法により合成し、電気伝導度の温度依存性および酸素分圧依存性を調べる．合成した試料をX線回折(XRD)，ICP元素分析などで化学組成と結晶相を調べ，単相ができているかどうか確認する．できない場合には、焼成温度と時間と冷却速度を工夫するXRDデータのリートベルト解析で結晶相と不純物を精査、格子定数と陽イオンの位置を決定する．生成相の評価にはX線回折を用いる．イオン伝導性あるいは電気伝導性が確認されれば、化学組成を変えたサンプルを多数合成、電気伝導度を測定して高いイオン伝導度を示す新物質を探索する．イオン伝導度が高い組成の試料について室温から高温まで中性子回折および放射光X線回折実験により結晶構造とイオン伝導経路を実験で調べて、結晶構造とイオン伝導度の関係を明らかにする．昨年見出したイオン伝導性新構造ファミリーについて組成を調整し，新たなイオン伝導体を探索する．また，2016年度に見出した，イオン伝導体の新しい構造ファミリーを基本組成とする様々な組成の合成を行い，電気伝導度と結晶構造を評価する．
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[Presentation] Experimental Visualization of Ion Diffusion Paths in Ceramic Ion Conductors2016
Author(s)
M. Yashima, K. Fujii, M. Shiraiwa, Y. Esaki, K. Hibino, Y. -C. Chen, H. Yamada, E. Niwa, T. Ishihara, J. A. Kilner
Organizer
Rare Earths 2016
Place of Presentation
Hokkaido Univercity, Hokkaido
Year and Date
2016-06-05 – 2016-06-10
Int'l Joint Research
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