synthesis and cyrstal structure of a new proton solid electrolyte that operates in a wide temperature range

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K05246
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Chiba Institute of Technology (2022-2023); Osaka Institute of Technology (2021)
• Principal Investigator: Matsuda Yasuaki 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (10731101)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: プロトン導電体 / 中温作動 / 機能性セラミックス / リン酸塩 / 固体電解質

Outline of Final Research Achievements

This study aimed to develop mixed-cation phosphates exhibiting high proton conductivity in the temperature range from room temperature to 500°C, and to extract crystalline insights into their thermal stability and proton conductivity. As a result of systematic investigation of phosphates with substituted cations of different sizes, we discovered tunnel-type phosphate, KNi1-xH2x(PO3)3yH2O, exhibiting proton conductivity reaching 10-2 Scm-1 from room temperature to 500°C, along with other novel proton-conductive crystalline phases. The thermal stability of these phosphates was found to depend on the constituent cations, and the arrangement of PO4 tetrahedra serves as templates for crystalline water chains, which are pathways for fast proton diffusion.

Free Research Field

固体イオニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

次世代エネルギーインフラとして切望されている150-300°Cで作動温度する燃料電池の実現は、中温域でプロトン導電体の熱安定性と高プロトン導電率を両立するプロトン固体電解質の開発にかかっているが、これは未だ困難な課題である。本研究では、200度付近で高プロトン導電率を発現するリン酸塩に着目し、その結晶構造を、骨格、プロトン拡散経路と分けて物質設計、開発することで、室温から500度で作動する新規プロトン導電体群を開発するとともに、その熱安定性とプロトン導電特性の発現要因を結晶学的視点から提示した。これにより、次世代エネルギーデバイスおよびその構成材料開発の加速化が期待される。