2023 Fiscal Year Research-status Report
イオン伝導現象の包括的解明に基づく新規デュアルイオン伝導体の開発
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21K14700
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
及川 格 東北大学, 工学研究科, 助教 (40733134)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | イオン伝導性酸化物 / 層状ペロブスカイト酸化物 / 固体NMR / プロトン伝導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度はデュアルイオン伝導体Ba7Nb4MoO20(BNM)へのアクセプタードーピングを行い、局所構造とイオン伝導度に及ぼす影響を明らかにした。アクセプターとしてTi4+とAl3+の元素置換を試みたところ、Al3+はあまり固溶しないことが分かった。一方、Ti4+は異相が出るもののある程度固溶することが明らかになった。この異相は焼結後に後熱処理を行うことで軽減することができた。最も異相を抑制できた試料に対して高磁場高分解能NMRにより局所構造を明らかにした結果、Ti添加がNbの局所構造に影響を及ぼすことが明らかになった。この試料に対して、電気伝導度を測定したところ、無添加試料に比べて全伝導度は低下するものの、加湿雰囲気下でのプロトン伝導の寄与が増加することが分かった。これは、固溶したTi4+の一部がアクセプターとして機能し、酸素空孔の形成とその水和反応によるプロトンの導入に寄与するためと示唆された。Ti添加試料において全伝導度が低下したことは、異相の析出や緻密化が不十分だったことが要因として考えられ、Ti添加量や熱処理条件の最適化による異相の抑制や緻密化により全伝導度の向上が可能と期待される。今後は、全伝導度の向上に加えて、温度可変マジック角回転NMRによるイオンダイナミクスの観測や2次元NMR測定の導入によるイオンキャリア間の相関の解明に取り組む。また、それらに加えて、異相がBNMの局所構造、欠陥形成、プロトン量、イオン伝導性に及ぼす影響も明らかにしていく予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
Ti添加によりプロトン伝導性の向上が明らかになったため、イオン伝導性の包括的な解明に向けて前進はできたが、異相の出現により合成条件の最適化や異相の影響評価の必要性が生じたため、想定よりもわずかに進捗が遅れていると考えている。しかし、昨年度までに17O同位体置換手法が確立され、17O NMRによる解析技術も大幅に向上していることから、異相の問題が解決されれば、1H、多核NMRを中心とした解析手法を活用することでイオン伝導メカニズムの解明につながる知見が得られると考えている。加えて、他のイオン伝導体への展開も進めているため、それらの成果も今後期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、これまで取り組んできたBa7Nb4MoO20(BNM)について、単相化と緻密化によるデュアルイオン伝導性の向上に取り組むことに加え、新たな材料系としてRuddlesden-Popper(R-P)型酸化物に注目し、伝導機構の解明とイオン伝導度の向上に取り組む。R-P型酸化物はペロブスカイト層と岩塩層からなる層状ペロブスカイト型酸化物であり、元素置換によるイオンキャリアの導入に加えて、イオン交換により岩塩層にもイオンを挿入できることからデュアルイオン伝導性が期待される。さらに、イオン伝導機構を解明する手法として、温度可変マジック角回転(MAS) NMR測定に取り組む。これまで温度可変NMR測定はMASを行わない状態での測定が一般的であり、分解能が低いため限られた材料系でのみイオン伝導性が解析されてきたが、本研究では高分解能測定が可能なMASと温度可変を組み合わせて、様々な材料系に対してイオン伝導性の解析を行っていく。それにより、特定のイオン種のみに注目したイオンダイナミクスの解明が可能になると期待される。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額は令和3年度の電気炉設備が不要になったことに伴う費用がさらに繰り越されることで生じた。しかし、当該年度はNMR測定料が多かったことから当初の想定よりも費用がかかっており、今年度に繰り越された金額は小さくなっている。次年度使用額と今回請求した助成金とを合わせた研究費は、主に試料合成やNMR測定に使用する予定である。今年度はこれまでの成果を元に様々な材料系への展開を考えているため、それらの合成に使う試薬や熱処理用のガスボンベの費用等として使用する。また、温度可変NMR測定や2次元NMR測定はこれまでの測定以上に時間を要する測定であるため、昨年度よりもNMR測定料がかかると見込んでおり、その費用等として使用する。
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