2022 Fiscal Year Annual Research Report
超高密度プロトン含有リン酸塩ガラスのプロトン移動の科学と高速プロトン伝導性の実現
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20H02428
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
西井 準治 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (60357697)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小野 円佳 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (20865224)
石山 智大 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (30760194)
小俣 孝久 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80267640)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | プロトン / ガラス / 伝導度 / リン酸塩 / イオン交換 / MAS-NMR / ラマン散乱スペクトル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、中温域燃料電池への応用を目指して、リン酸塩ガラス中のアルカリをプロトンに置換(APS)することによって大量のプロトンを含有する電解質の開発に取り組んだ。ガラス組成は、30NaO1/2-12SiO2-58PO5/2(mol%、以降NSPと表記)と30NaO1/2-12AlO3/2-58PO5/2ガラス(以降NAP)である。両者共に95%以上のAPS置換率で、NAPのプロトン伝導度はNSPよりも20倍高く、350℃付近で0.008 S/cmであった。
APS処理後のNSPとNAPのプロトン伝導度が著しく異なる要因を解明するために、IR,NMR,XPS,ラマン散乱などのスペクトル解析を行った。まず、APS後のNSP,NAP中のOH基の吸収ピーク位置をIRスペクトルで確認したところ、それぞれ2650cm-1と2850cm-1であり、予想に反してOH結合が弱いNSPの方が伝導度が低かった。一方、APS後のガラス中のSi、Alの配位構造をNMRで調べたところ、両者共に全て6配位であった。また、PのNMRより両ガラス中のPO4ユニットも類似しており、それぞれSiあるいはAlと配位したQ2(2個の非架橋酸素の1つがAlあるいはSiと配位した状態)であった。
最近、第一原理分子動力学シミュレーションで、リン酸塩ガラス中の2つのQ2がSiに配位するとQ2間の距離が短くなり、プロトンがトラップされて長距離移動できないことが報告された。この結果は本研究のNSPの低い伝導度を裏付けている。一方、NAP中のプロトンはトラップされず長距離移動できる理由は、Al-Oの結合距離(1.98Å)がSi-Oの距離(1.76Å)よりも長く、Q2間の距離が離れるため、プロトンがトラップされないと考えられる。また、XPSで見積もられるQ2の酸素の電子密度はNAPの方が高いことも伝導度の結果と矛盾が無い。
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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[Journal Article] Anhydrous Silicophosphoric Acid Glass: Thermal Prop-erties and Proton Conductivity2022
Author(s)
T. Omata, A. Sharma, I. Suzuki, T. Ishiyama, S. Kohara, K. Ohara, M. Ono, Y. Ren, Z. Khurelbaataar, M. Fujioka, G. Zhao and J. Nishii
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Journal Title
ChemPhysChem
Volume: 23
Pages: e20210084
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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