2019 Fiscal Year Annual Research Report
Atomic scale structure and mechanism of grain-boundary ionic conduction in solid electrolytes
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19H02801
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
松本 広重 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 教授 (70283413)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 潤子 九州大学, 水素エネルギー国際研究センター, 准教授 (00415952)
Klotz Dino 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 助教 (00814849)
Ghuman Kulbir 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 学術研究員 (10801102) [Withdrawn]
ステイコフ アレキサンダー 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 准教授 (80613231)
多田 朋史 九州大学, エネルギー研究教育機構, 教授 (40376512)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 粒界 / イオン伝導 / 酸化物イオン伝導体 / プロトン伝導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酸化物イオン伝導体であるイットリウムをドープしたジルコニアを対象として、粒界構造（原子配列モデル）の構築を行った。8－YSZの焼結体を作製し、その界面を高分解能透過型電子顕微鏡により観察した。実際の材料に存在する粒界をモデル粒界として定義し、古典・第一原理分子動力学法によりTEM観察と結晶方位を合わせたシミュレーションを行って、粒界の座標のサンプルを構築することを試みた。TEM観察によっては多くの粒界を観測することができたが、その中で211の方位と511の方位からなる界面をモデル粒界として採用した。分子動力学シミュレーションによる粒界の再現の手法として、系の温度を一端上げて溶融状態とした後に一定の速度で降温することによる粒界の原子座標を再現する方法を試みた。溶融温度および降温速度によって粒界の構造が得られる場合と得られない場合があったが、これらの最適化により元の方位関係を保った粒界が再現でき、その原子座標モデルを得ることができた。今後、得られた座標を元に、粒界の特徴について調べ、そのイオン伝導性への影響について検討する。
粒界のインピーダンス特性を評価するための測定装置の作成を実施した。粒界における空間電荷のイオン伝導に与える影響を調べるために、光照射によるインピーダンスの変化を測定できることを目的とした。用いる装置の設計時間を要したため、R2年度の前半にずれ込んだが、上記目的に合致するインピーダンス測定系を構築した。今後、上記イオン伝導体材料について、そのインピーダンス応答を調べる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初計画した中で、酸化物イオン伝導体の粒界界面の再現と座標モデルの取得については、当初の計画通りに研究が進捗した。計画に従いTEM測定による代表的な粒界の格子像の取得、それを元にした分子動力学シミュレーションによる粒界の原子座標のモデルの構築を首尾よく行うことに成功した。
一方、粒界の電気化学応答を調べるためのインピーダンス測定については、R1年度内に装置の構成を終える予定であったが、光応答を重点的に調べたいというと考え、それを行うための装置設計に当初の想定よりも時間を要したため、年度内に完了することができなかった。なお、装置の構成はR2年度前半に試運転を含めて完了しており、測定も開始できている。したがって、R2年度内に遅れを取り戻すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究実績の概要に記したとおり、酸化物イオン伝導体である8－YSZについて、TEM測定から得られた方位関係に従った粒界の原子座標モデルの構築を分子動力学法により行うことに成功している。今後は得られた原子座標について、配位数や電荷のバランス、酸素空孔の濃度などについて調べ、粒界の性質やイオン伝導についてどのような影響があるかを調べる。
粒界の電気化学的応答の調査については、前記の通り装置を構成することができたので、実際の材料について調べ、粒界のイオン伝導に与える影響を調べる。
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