2021 Fiscal Year Annual Research Report

高圧技術を主とした欠陥制御によるペロブスカイト関連構造高速プロトン伝導体の探索

Research Project

Project/Area Number	19J20849
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	川森弘晶東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2019-04-25 – 2022-03-31
Keywords	固体酸化物形燃料電池 / プロトン伝導体 / ペロブスカイト / プロトン性欠陥 / 水和 / 高圧力
Outline of Annual Research Achievements	当初はプロトン伝導度向上のため、キャリア濃度すなわちプロトン濃度の高い新規材料開発を目的とした。1000度程度の高温でも脱水されない高圧下(GPa級)に注目し、高温で反応させつつOH基を多量に含む材料の合成を着想した。前年度まででは、高圧合成により最大でBaSc0.67O(OH)2の組成までプロトンを含有するペロブスカイト型新規材料が得られた。ペロブスカイト型構造中のScサイト欠損をプロトンが電荷補償することで、従来材料を大きく上回るプロトン濃度が実現された。本材料は350度で不連続的に電気伝導度が上昇し、500度で不可逆的に脱水されるまで0.01 S/cm程度の高い伝導度を示した。このとき、脱水後も結晶構造は維持された。しかし、この特異な伝導度変化の起源は不明であった。本年度は新たにBa-In系で合成を行い、Ba-Sc系と同様の新規物質が得られた。この伝導度はBa-Sc系と類似した温度依存性を示した。350度で不連続的に伝導度が上昇し、1サイクル目はBa-Sc系より高い値であった。ただし、一度350度以上まで加熱されるとペロブスカイト型構造ともブラウンミレライト型構造とも異なる結晶構造へと変化した。 Ba-Sc系、Ba-In系ともに伝導度が不連続的に上昇する温度で吸熱反応が観測された。光学顕微鏡によるその場観察や電子顕微鏡の観察結果から総合すると、伝導度の不連続変化の起源は部分溶融であると考えられる。これは通常のペロブスカイト型プロトン伝導体では生じない反応である。伝導度の酸素分圧依存性や重水素による同位体効果から、部分溶融はプロトン伝導だけでなく酸化物イオンなど他イオンの伝導も促進すると示唆された。 Ba-In系の部分溶融材料についてはMPa級の低圧下でも合成方法を確立した。これにより高圧合成法の欠点であった試料量が改善された。したがって、より実用的な合成が可能になった。
Research Progress Status	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。