Development of Proton-Conducting Materials using Ceramics Nanosheets Working at Low-Medium Temperatures.

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14767
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: Awaya Keisuke 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 助教 (10910656)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 遷移金属酸化物ナノシート / プロトン伝導体 / 自立膜 / 異方性材料

Outline of Final Research Achievements

In the present study, we evaluated the proton conductivity of transition metal oxide nanosheet free-standing membranes (Ti0.91O2, TiNbO5, Nb3O8, MnO2, Mn0.75Co0.25O2, Ca2Nb3O10, thickness: 22-32μm) along cross-sectional or in-plane directions. The maximal values for cross-sectional and in-plane direction of the membrane were 9.8×10-5 for Ca2Nb3O10 nanosheet and 6.4×10-2 S/cm for Nb3O8 nanosheet, respectively (90 ℃, 100%RH). The ratio of proton conductivities along in-plane direction over along cross-sectional direction was approximately 50-40000, which clearly reflected the restacking, anisotropic structure of the nanosheet free-standing membranes.
In the case of Ca2Nb3O10 nanosheet free-standing membrane, the values for in-plane direction were 3.4×10-3 and 3.0×10-4S/cm at 100 ℃ and 130 ℃, respectively.

Free Research Field

無機材料化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では耐熱性に乏しい酸化グラフェンの代替となる二次元プロトン伝導体を探索するため、セラミックスナノシートを調査対象とした。遷移金属酸化物ナノシート自立膜は、従来のセラミックス膜としては類のない柔軟さを有するうえ、高配向な積層構造を由来とする異方的性質を示す。一般的に脱水の激しい温度域では、高いプロトン伝導度を維持することが難しいとされる。一方、セラミックスナノシート自立膜の面内方向のプロトン伝導性は100℃近傍でも10-4～10-3S/cm程度の値を示しており、積層方向を制御することで作動温度域のより広いプロトン伝導膜となり得ることを示した点において学術的意義は大きいものと考える。