2021 Fiscal Year Research-status Report
ドーピングによるDion‐Jacobson型酸化物のイオン伝導度向上
| Project/Area Number |
21K20483
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
張 文鋭 東京工業大学, 理学院, 特任助教 (20911853)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-08-30 – 2023-03-31
|
| Keywords | イオン伝導体 / 燃料電池 / 構造解析 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
酸化物イオン伝導体は、固体酸化物形燃料電池SOFC、酸素分離膜およびガスセンサーなどに幅広く応用できる材料である。CsBi2Ti2NbO10-δは、Dion-Jacobson 相として世界初の酸化物イオン伝導体であり、Dion-Jacobson 相が酸化物イオン伝導体として有望な構造ファミリーであることも示した。
2021年度にCsBi2Ti2NbO10-δの3価のBiの一部を2価のアルカリ土類金属（Mg, Ca, Sr, Ba）で置換した固溶体CsBi2-xMxTiNbO10-x/2 (M =Mg, Ca, Sr, Ba; x = 0.1, 0.2)を合成し、結晶構造、電気的性質、イオン拡散経路などを調べた。そこで、 実際に固溶体を固相反応法で合成し、X線粉末データを用いて、構造解析を行った。直流伝導度測定と交流インピーダンス測定により、ドーピングにより酸化物イオン伝導度を向上させることに成功した。１０％Srドーピングした組成は一番高い伝導度を示した。電気伝導度は酸素分圧に依存しないので、酸化物イオン伝導が強く示唆された。結合原子価法により、酸化物イオンの拡散経路も示唆された。更に、伝導度向上の理由を、イオンサイズ、キャリア濃度などの観点から説明できた。この成果はレフリーから高く評価され、Ceram. Int.に掲載された。また，研究を実施した大学院生がセラミックス協会年会で優秀ポスター発表賞（優秀賞）を受賞した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2021年度はBiのサイトに2価のアルカリ土類金属（Mg, Ca, Sr, Ba）を一部ドーピングした固溶体を中心に探索した。そこで、新材料CsBi2-xMxTiNbO10-x/2 (M =Mg, Ca, Sr, Ba; x = 0.1, 0.2) に選択して、新規物質合成・電気物性評価・結晶構造解析という３つの視点で研究を進められた。CsBi2-xMxTiNbO10-x/2 (M =Mg, Ca, Sr, Ba; x = 0.1, 0.2)の中でCsBi1.9Sr0.1Ti2NbO9.9の電気伝導度が最も高いことがわかった。CsBi1.9Sr0.1Ti2NbO9.9の電気伝導度は酸素分圧に依らず一定である酸素分圧の領域が存在し，酸化物イオンが支配的な伝導キャリアであることが分かった。以上の成果は国際学術誌Ceram. Int.に出版された。また，研究を実施した大学院生がセラミックス協会年会で優秀ポスター発表賞（優秀賞）を受賞した。
以上の理由より、本研究課題は当初の計画以上に進展しているといえる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に引き続きドーピングにより、CsBi2Ti2NbO10-δの伝導度の向上を目指して研究する。今年は、CsBi2Ti2NbO10-δのTi、NbサイトまたはCsサイトに元素置換を試す。このような固溶体を合成し、直流四端子法により電気伝導度の温度依存性を空気中で測定する。電気伝導度が高い組成については、電気伝導度の酸素分圧依存性、加湿乾燥雰囲気での伝導度および輸率を測定する。イオン伝導度が比較的高い試料を大量に合成し、高温中性子回折および放射光X線回折測定を実施する。回折データを用いて、リートベルト法、結語原子価法と最大エントロピー法により酸化物イオン拡散経路を求める。中性子回折実験を、原子力機構内のJ-PARCのiMATERIAとSuperHRPDにて実施する予定である。放射光X線回折実験はつくばの放射光研究施設PFまたは兵庫県のSPring-8にて実施する。以上の様に、引き続き高い酸化物イオン伝導体を探索していく。
|
Research Products
(8 results)
