2019 Fiscal Year Annual Research Report
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19H00821
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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) |
高垣 敦 九州大学, 工学研究院, 准教授 (30456157)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | イオン伝導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では，過去に検討がなされていない数多くの物質群について，構造マップ，結合原子価法などを駆使して新奇な結晶構造を持つ候補を探索した．有望な候補物質を合成，酸化物イオン伝導，プロトン伝導，蛍光特性などの物性と結晶構造を実験で調べ，優れた特性を示す新構造ファミリーを探索して発見することを目的としている．また，発見した材料の結晶構造と物性の関係を解明することも目的としている。2019年度の主な研究実績は、Dion-Jacobson型化合物としては初となる世界最高クラスの酸化物イオン伝導体を発見し、酸化物イオン伝導性と結晶構造の関係を解明したこと、および六方ペロブスカイト関連酸化物の一つであるBa3MoNbO8.5-δの酸化物イオン拡散経路を世界で初めて可視化することに成功したことである。無機結晶構造データベース（ICSD）に登録されている69種類のDion-Jacobson相の83のデータに結合原子価法によるスクリーニングを実施した。そしてDion-Jacobson相では初めての酸化物イオン伝導体（酸素イオン伝導体、あるいはO2－伝導体ともいう）CsBi2Ti2NbO10－δを発見した。さらに酸化物イオン伝導度が高くなる高温での結晶構造や、酸化物イオンの拡散経路の解明により、この新しい酸化物イオン伝導体が示す高いイオン伝導度の発現機構を明らかにした。高温かつ広い酸素分圧範囲で、この新型イオン伝導体は安定であることがわかった。この新材料の発見は、結晶構造データベースにおける83個のデータのスクリーニング、ならびに「陽イオンCs+のサイズが大きいこととBi3+の変位によるイオン伝導度の向上」という新概念の導入によって実現した。こうした新設計法による高イオン伝導体の発見は、固体酸化物形燃料電池や酸素濃縮器の高性能化や、新しい酸化物イオン伝導体や電子材料の開発を促進すると期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題では，過去に検討がなされていない数多くの物質群について，構造マップ，結合原子価法などを駆使して新奇な結晶構造を持つ候補を探索するという独自の手法を駆使することによって、新型のイオン伝導体の発見に至ったものである。Dion-Jacobson相では初めての酸化物イオン伝導体CsBi2Ti2NbO10－δを発見した。さらに酸化物イオン伝導度（酸素イオン伝導度ともいう）が高くなる高温での結晶構造や、酸化物イオンの拡散経路の解明により、この新しい酸化物イオン伝導体が示す高いイオン伝導度の発現機構を明らかにした。高温かつ広い酸素分圧範囲で、この新型イオン伝導体は安定であることがわかった。この新材料の発見は、結晶構造データベースにおける83個のデータのスクリーニング、ならびに「陽イオンCs+のサイズが大きいこととBi3+の変位によるイオン伝導度の向上」という新概念の導入によって実現した。こうした新設計法による高イオン伝導体の発見は、固体酸化物形燃料電池や酸素濃縮器の高性能化や、新しい酸化物イオン伝導体や電子材料の開発を促進すると期待される。以上の成果はインパクトがあると認められ、2020年3月6日に英国の科学雑誌Nature Communicationsに電子版として掲載され、注目論文（Editors' Highlight）に選出された。また、2020年3月の日本セラミックス協会の年会でトピックス講演に選出された。また、科学新聞と日経産業新聞でも記事として取り上げられた。さらに近年2016年に英国で発見された六方ペロブスカイト関連酸化物の酸化物イオン伝導メカニズムを、高温中性子回折と最大エントロピー法を組み合わせた独自の手法で解明に成功した。また、最近では世界最高クラスのプロトン伝導体も発見しつつある。以上の理由より、本研究課題は当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、有望な候補物質を合成，酸化物イオン伝導，プロトン伝導，蛍光特性などの物性と結晶構造を実験で調べ，優れた特性を示す新構造ファミリーを探索していく．今まで材料として注目されてこなかった物質群を 抽出し，構造マップ，結合原子価等により候補物質を高速スクリーニングして，新奇な構造の新材料(イオン伝導体，光触媒，蛍 光体)をデザイン・探索・発見することを第1の目的とする．また，構造マップで未知領域の新物質(化学組成領域)の合成に果敢に挑戦し，新物質と機能を開拓することを第2の目的としている．また，発見した材料の結晶構造と物性の関係を解明していく。世界最高クラスのプロトン伝導度を示す新型プロトン伝導体を発見しつつあるので、中性子回折や電気伝導度の水蒸気分圧依存性や熱重量も検討する。特に、中性子回折により水素（プロトン）の位置と熱振動を調べることが重要である。これらプロトン伝導体および2019年度に発見した世界最高クラスの酸化物イオン伝導体CsBi2Ti2NbO10－δの類縁物質を探索して、より優れたプロトン伝導体および酸化物イオン伝導体の発見を目指す。また、六方ペロブスカイト関連酸化物の酸化物イオン伝導メカニズムを、高温中性子回折と最大エントロピー法を組み合わせた独自の手法で解明に成功したので、その知見を基に、新しい六方ペロブスカイト関連酸化物の酸化物イオン伝導体を探索する。発見した新物質について、電気伝導度の温度および酸素分圧依存性および水蒸気分圧依存性、高温X線回折と中性子回折による高温における結晶構造、構造変化および相転移について調べ、新しい材料科学、特にイオン伝導体と構造科学の新分野を切り開いていきたい。
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| Remarks |
東工大、KEKおよびJ-PARC共同プレスリリース
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[Presentation] Crystal structure analysis of the oxide ion conductor BaNdInO4 by high-temperature neutron diffraction2020
Author(s)
Hitomi Shiga, Masahiro Shiraiwa, Wenrui Zhang, Yuta Yasui, Hiroaki Tejima, Kotaro Fujii, Taito Murakami, Masato Hagihala, Shuki Torii, Ping Miao, Takashi Kamiyama, Masatomo Yashima
Organizer
The Power of Interfaces:Fundamentals for Solid State Devices（国際学会）
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[Presentation] Crystal structure analysis of the oxide ion conductor BaNdInO4 by high-temperature neutron diffraction2019
Author(s)
Hitomi Shiga,Masahiro Shiraiwa,Wenrui Zhang,Yuta Yasui,Hiroaki Tejima,Kotaro Fujii,Taito Murakami, Masato Hagihala, Shuki Torii, Ping Miao, Takashi Kamiyama，Masatomo Yashima
Organizer
The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies
Int'l Joint Research
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