2018 Fiscal Year Research-status Report
第一原理計算に基づく炭酸アパタイトの酸化物イオン伝導メカニズムの解明
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18K13998
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
設樂 一希 大阪大学, 接合科学研究所, 助教 (40756805)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ハイドロキシアパタイト / 第一原理計算 / イオン伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エネルギーや環境問題解決のため，固体酸化物燃料電池（SOFC）は重要な役割を果たす．SOFCに用いられる固体電解質には高いイオン伝導性が必要である．そのような中で，ハイドロキシアパタイトに炭酸イオンを一部置換した炭酸アパタイは高い酸化物イオン伝導を示す．．
本年度は，Na添加炭酸アパタイトについて，欠陥構造および探索およびイオン伝導機構の検討を行った．ハイドロキシアパタイトの1×1×2スーパーセルを作成し，Naと炭酸の配置について網羅的な第一原理計算を行った結果，Naと炭酸はアパタイト中で会合しており，その会合エネルギーは0.1eVであった．また，リン酸の四面体中の面の１つを炭酸が置換することで，リン酸中の酸素サイトに空隙が存在することがわかった．
上述のようにして得られた構造を基に初期構造を作成して第一原理分子動力学を実施した．第一原理分子動力学中に酸化物イオンの長距離拡散は見られなかったが，各原子の軌跡を解析した結果，c軸上に並んだ水酸化物イオンが炭酸イオン置換により生成した空隙位置に移動していることがわかった．また，それに伴ってその他の水酸化物イオンがc軸上に広く分布しており，無添加ハイドロキシアパタイトの第一原理分子動力学計算結果と比較しても，広い領域に酸化物イオンが分布していることがわかった．これらの水酸化物イオンの移動および分布の広がりが，アパタイト中でのイオン伝導に寄与していることが示唆される．
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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
本年度に予定していた，Na添加炭酸アパタイトの安定構造探索によりNaと炭酸の欠陥会合状態を明らかにし，さらに，第一原理分子動力学計算を用いてイオン伝導機構の検討も行うことができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，昨年度に得られた知見を基に酸化物イオンの伝導経路を詳細に検討すると同時に，Naイオンがイオン伝導に及ぼす影響を調査する．その後，Na以外の添加元素についても同様の検討を実施し，イオン伝導度向上のための設計指針を得る．
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