2018 Fiscal Year Annual Research Report
Identification of local structure inducing proton conduction by in situ X-ray absorption spectroscopy
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18H01694
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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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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プロトン伝導性酸化物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体酸化物形燃料電池の400°C付近での中温動作を可能にする電解質材料として、プロトン伝導性酸化物が期待されている。本研究では高いプロトン伝導度が報告されているアクセプター置換ジルコン酸バリウムに着目し、水和反応条件下において高温その場X線吸収分光法を用いた電子・局所構造解析を行い、高濃度プロトン導入が可能な材料に特徴的な局所構造因子を解明することを目的としている。金属酸化物におけるプロトン(H+)導入反応、すなわち酸素空孔をヒドロキシ基(OH)で補填する水和反応はプロトン伝導を発現させる重要な反応であり、酸化物中におけるプロトン高濃度化のためには、この反応の機構を解明することが材料設計指針の構築に必要不可欠である。これまでプロトン伝導性酸化物(BaZr0.8Sc0.2O3-δ)を合成し、その場X線吸収分光法、熱重量分析及び第一原理計算を行なった。その結果、水和反応には、材料中の置換元素の幾何学的配置が重要であることが明らかになりつつある。最終的には、局所配置と水和反応発現の相関を詳細に検討することによって、多量のプロトンを金属酸化物中に導入する材料の設計指針を確立し、プロトン伝導度の大幅な増大を目指している。
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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、プロトン伝導性を有する酸化物としてSc置換ジルコン酸バリウムを合成し、それらを対象にその場X線吸収分光測定、熱重量測定及び第一原理計算を行なった。その場X線吸収分光測定では、ホストZr及びドーパントScのK吸収端近傍構造（XANES）から、Bサイトカチオンの周りの配位環境がわかる。熱重量測定ではプロトン濃度が決定でき、その場X線吸収分光測定と同一条件に揃えることで、プロトン導入量とカチオン周りの配位環境を定量的に関係づけることができる。このような実験を行い、XANES実験を第一原理計算と比較した結果、Sc置換ジルコン酸バリウムではSc-Vo-Zrという特定のドーパント局所配置環境が水和反応に寄与することが明らかになった。このように、当初予定した実験が進んでいることから、上記の評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に引き続き、その場X線吸収分光法を用いたプロトン伝導誘起局所構造の第一原理計算を用い，解明を行う。九州シンクロトロン光研究センターにおいてその場X線吸収分光実験を行い、乾燥および加湿雰囲気下におけるXANESスペクトルを測定する。 また、イオン半径の異なるSc, In, Lu, Er, Y, Gdドーパントを3×3×3のスーパ－セルに一つ配置した系において水和エネルギーを計算し、ドーパントの種類が水和反応に及ぼす影響についても考察する。
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