2020 Fiscal Year Annual Research Report
Material design of carbonate apatites for the development of Intermediate temperature oxide ion conductors
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18K04712
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
田中 優実 東京理科大学, 工学部工業化学科, 准教授 (00436619)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 炭酸アパタイト / 酸化物イオン伝導 / セラミックス / 固体電解質 / ドーピング / イオン伝導機構 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水酸アパタイトのCa2+とPO43-の一部をNa+とCO32-によってそれぞれ置換し（Na-BCA）、さらにOH-の一部をF-で置換したNa/F添加B型炭酸アパタイト（Na-FCA）は、600～800℃で良好なO2-伝導を示す。そこで本研究では、現在明らかとはなっていないBCA系セラミックスのO2-伝導機構を解明し、500～600℃で10-2 S/cmを実現する新たな電解質の設計に繋げること、さらに実用デバイスに対するBCA系電解質の適用について検討することを目的とした。本年度の実施項目および成果の概要は以下のとおりである。
・Na-FCAの組成と導電挙動に関する検討：CO32-及びF-置換量を変化させたNa-FCA（CO32-=4.4-11.4％(m/m)、F-=1.4-3.6％(m/m)）を作製し、導電挙動を比較した。結果、全ての試料において、500～550℃付近に特異な導電率の立ち上がり（Na+/O2-間の欠陥会合の形成/解離に基づく熱誘起的・可逆的な伝導パスの変化に起因するものと想定）が見られ、CO32-置換量が同値の場合にはF-置換量が少ないほど、F-置換量が同値の場合にはCO32-置換量が多いほど、導電率が向上し、かつ導電率の立ち上り温度が低下する傾向があることを見出した。
・等温保持下におけるNa-FCAの導電率の経時変化に関する検討：大気下、800℃で保持したNa-FCAについて、導電率の経時変化を調べた。導電率は保持開始（13 mScm-1）から35 hで2.3 mScm-1、54 hで1.7 mScm-1まで低下したが、その減少速度は、0 h～35 hで約0.3 mScm-1h-1、35 h～54 hで約0.03 mScm-1h-1であり、導電率の低下に支配的に寄与する因子が保持35 h前後で変化したことが示唆された。
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