2020 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 / 水和反応 / 局所構造 / その場Ｘ線吸収分光法 / 熱重量分析 |
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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。プロトン伝導性を有する酸化物BaZr0.8Sc0.2O3-δにおいて、これまで得られたその場X線吸収分光結果、熱重量分析結果及び第一原理計算結果の解析を進めた結果、水和反応サイトは主にスカンジウムに囲まれた酸素空孔であることが明らかになった。また、ジルコン酸バリウム（ＢａＺｒＯ３）にスカンジウムを６０パーセントという極めて高い濃度で添加することで、燃料電池動作の目標温度である４００°Cにおいて結晶粒内と粒界を含んだ全プロトン伝導度が０．０１ジーメンス毎センチメートルを超えることを初めて見いだし、水和エンタルピーが-121 kJ/molと、20Scの水和エンタルピー-104 kJ/molに比べてより負に大きく、水和しやすいことがわかった。さらに、第一原理計算で得られた水和エネルギーと会合エネルギーの関係から、プロトン伝導度を決定するパラメータが酸素親和力であること、また、熱重量分析とその場X線回折実験から、水和反応に伴う化学膨張の非線形性を、それぞれ初めて見出した。
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| Research Progress Status |
令和2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 |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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Research Products
(4 results)
