2023 Fiscal Year Research-status Report
Exploration of New-Type Proton Conductors via Intrinsic Oxygen Vacancy Layers
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21K18182
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
八島 正知 東京工業大学, 理学院, 教授 (00239740)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| Keywords | イオン伝導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題は従来の高イオン伝導体の材料設計法である「アクセプタドーピングによる伝導度向上」とは全く異なる新しい手法「本質的な酸素空孔を利用することによる，新型高イオン伝導体の探索」を提案して実証すること，イオン伝導の構造的要因を明らかにすることを目的としている．2023年度は，新型プロトン伝導体を発見し，高いプロトン伝導度のメカニズムを解明した．プロトン伝導体は，プロトン（H+）が伝導する物質であり，水素ポンプやプロトンセラミック燃料電池など幅広い応用のある，クリーンエネルギー材料として期待されている．しかし，これまで中低温域で高いプロトン伝導度を示し，安定・安価な材料の報告は少なかった．従来の候補材料であるAMX3ペロブスカイト型プロトン伝導体では，高い伝導度を実現するためにアクセプタドーピングが必要であり，安定かつ高純度な試料の合成が困難なこともあった．一方，六方ペロブスカイト関連酸化物は，アクセプタドーピングを行うことなく高いプロトン伝導度を示す新材料として注目されているが，その伝導メカニズムは知られていなかった．本課題では六方ペロブスカイト関連酸化物Ba2LuAlO5が新型のプロトン伝導体であることを発見した．さらに，第一原理分子動力学シミュレーションを行い，この新材料のプロトン伝導メカニズムを解明した．このBa2LuAlO5が従来のセラミックプロトン伝導体と比べて高いプロトン伝導度を示すことを見出した．
さらに，本質的な酸素空孔を多量に含むBaScO2.5へのMo6+ドナードープにより安定化した立方ペロブスカイト型の新物質BaSc0.8Mo0.2O2.8を発見した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題は従来法とは全く異なる新手法により，新型高イオン伝導体をいくつも発見しているだけではなく，その伝導メカニズムを明らかにしており，当初の計画以上に進展している．
中でもBa2LuAlO5はアクセプタドーピングなしで，中低温において他のセラミックプロトン伝導体の中で最高クラスのプロトン伝導度を示すことを見出した．また，実験結果と第一原子分子動力学計算の結果から，酸素欠損層の他に最密充填層（LuO6八面体層）が存在するBa2LuAlO5では，プロトンが最密充填層内を大きく移動することがわかった．このことはプロトン伝導性六方ペロブスカイト関連酸化物を設計する指針になると考えられる．本成果は，Nature系の学術誌Communications of Materialsに掲載され，プレス発表も行い，新聞でも取り上げられた．さらに，その後，世界最高のプロトン伝導度を示すBaSc0.8Mo0.2O2.8を発見した．これは従来の設計法とは全く異なる構造デザインを提案したものである．この成果はNature Communicationsに発表すると共にプレスリリースも行った．これらの成果により国際会議，国内会議で基調・招待講演を行うと共に，依頼解説記事も執筆した．また，国際・国内共同研究を積極的に行った．若手・学生を育成し，2023年度の学会等での関連する受賞は10件にもなっている．以上の理由より，研究は当初の計画以上に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は，本質的な酸素空孔層を含むBa2LuAlO5などを発見することに成功した．これらの成果は，従来の高イオン伝導体の材料設計法である「ドーピングによる伝導度向上」ではなく，本課題で提案している，全く異なる新しい手法「本質的な酸素空孔による，新型高イオン伝導体の探索」によって実現された．2024年度以降は本質的な酸素空孔を含む，より多くの新物質を探索することに挑戦していく．本質的な酸素空孔を含むプロトン伝導体や酸化物イオン伝導体の伝導機構は殆ど研究されておらず，構造物性の研究も多くの成果が上がると期待できる．
世界最高クラスのプロトン伝導度を示す新型プロトン伝導体を発見してきたが，さらに高い伝導度の新物質を発見しつつあるので，中性子回折や電気伝導度の水蒸気分圧依存性や熱重量も検討する．特に，中性子回折により水素（プロトン）の位置と熱振動を調べることが重要である．これらプロトン伝導体および発見した世界最高クラスの酸化物イオン伝導体の類縁物質を探索して，より優れたプロトン伝導体および酸化物イオン伝導体の発見を目指す．発見した新物質について，電気伝導度の温度および酸素分圧依存性および水蒸気分圧依存性，高温X線回折と中性子回折による高温における結晶構造とその変化および相転移について調べ，新しい構造科学分野を切り開いていきたい．さらに，第一原理分子動力学計算を行い，プロトンや酸化物イオンの移動メカニズムの研究も推進する．引き続き国際・国内共同研究を積極的に行い，若手・学生を育成し，国際的なプレゼンスも高めていく予定である．
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| Causes of Carryover |
特任助教を新規採用する予定だったところ、適任者がおらず採用を見送ったため一部未使用分が生じた．2024年4月に新規採用した特任助教の人件費および旅費等に使用する予定である．
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