Fast proton transport in WO3: its demonstration and elucidation of the mechanism

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15286
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Suzuki Issei 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60821717)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 燃料電池 / イオン伝導 / 混合伝導性 / 固体イオニクス / プロトン

Outline of Final Research Achievements

Tungsten oxide (WO3) is known to exhibit high electronic conduction due to the simultaneous injection of electrons and protons (monovalent hydrogen ions) by voltage application or light irradiation. However, the conductive property of injected protons has been little studied so far. In this study, hydrogen permeation measurements were performed on proton-injected WO3 (HxWO3) and it was shown for the first time that HxWO3 is a mixed conductor with high protonic conduction in addition to the electronic conduction.

Free Research Field

化合物半導体

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

きたる水素社会に向けて、燃料電池の電極や水素精製膜として、高いプロトン伝導性と電子伝導性を兼ね備えた混合伝導体が求められている。本研究では、HxWO3のプロトン伝導性が300 ℃で10-1～10-3 Scm-1と高いことを明らかにし、HxWO3がそれらに応用できることを示した。また、HxWO3は水素分圧を含まない雰囲気においてはプロトンが脱離して電子伝導性を失う性質があるが、Caをドープすることで300 ℃においても電子伝導性が維持されることを明らかにした。したがって、CaドープHxWO3は、水素を含まない環境（燃料電池の空気極など）においても使用でき、実用性は高い。