2020 Fiscal Year Annual Research Report
六方ペロブスカイト関連構造をもつ新型超イオン伝導体の探索と構造物性研究
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20J23124
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
安井 雄太 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | イオン伝導体 / 酸化物 / 中性子回折 / 結晶構造 / イオン伝導経路 / 高温その場 / スクリーニング / 六方ペロブスカイト関連構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酸化物イオン伝導体とは電場をかけると酸素が移動する固体材料のことであり、燃料電池などに用いられる応用上も重要な材料である。新しい結晶構造型の酸化物イオン伝導体を発見し、伝導度を向上する条件を見つけることがブレイクスルーに繋がる。今年度は結合原子価法を用いて約 400 種類の酸化物についてコンピュータによるスクリーニングを行うことで、新構造型酸化物イオン伝導体 Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05を発見した。この材料はイオン伝導の活性化エネルギーが低いため、300-400 ℃程度の低温でイオン伝導度が既存のほとんどの材料より高いことが特徴である。また、600 ℃という高温かつ水素中という強い還元雰囲気でも電子伝導が全電気伝導度に対し5%以下であったことから、還元雰囲気での安定性が非常に高いことがわかった。なぜ高い酸化物イオン伝導度が発現するのかを調べるため、高温その場中性子回折によりイオンが移動する経路を可視化した。酸化物イオンはBa7Nb3.9Mo1.1O20.05の内部を二次元的に伝導することが明らかになった。以上の成果を、Nature Communications (IF = 12.1)に発表した。また、六方ペロブスカイト関連構造を持つ酸化物イオン伝導体 Ba3WNbO8.5－δとBa3MoNbO8.5－δ(δは酸素欠損量を表す)について、高温その場中性子回折実験を行い、結晶構造解析とイオン伝導経路の可視化を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要に示したように、これまで酸化物イオン伝導体の報告例がほとんどなかった六方ペロブスカイト関連酸化物において高い性能を示すイオン伝導体を発見した。その高い性能の理由も中性子回折により明らかにした。また、イオン伝導度向上の要因がわかっていなかったBa3WNbO8.5－δについて、その要因を研究した。従って、六方ペロブスカイト関連構造という未開拓なイオン伝導体の分野において、その基礎となる物質を発見してイオン伝導度向上の原理解明を行うという、当初の目的を順調に果たしたといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
コンピュータによるスクリーニングを行って見出されたイオン伝導体の候補はまだ、ルテニウムを含む化合物など数種類残っている。それらの物質を合成し、また元素置換などを行うことで高いイオン伝導度を持つ物質の合成を試みる。また、Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05については結晶構造とイオン伝導の関係に不明な点があるため、核磁気共鳴分光法や分子動力学法といった手法も用い結晶構造とイオン伝導の関係性を解明していく。
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[Presentation] 高酸化物イオン伝導体Ba7Nb4MoO20 系材料の発見とイオン拡散機構2021
Author(s)
八島 正知,辻口 峰史,作田 祐一,安井 雄太,藤井 孝太郎,村上 泰斗,柴田 稔也,鳥居 周輝,神山 崇,Zhou Yu,Skinner Stephen J.
Organizer
セラミックス協会2021年年会
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