本質的な酸素欠損層を持つ新型イオン伝導体の探索と構造物性

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22KJ1285
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 作田 祐一 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Keywords: イオン伝導 / 結晶構造 / 分子動力学

Outline of Annual Research Achievements

イオン伝導体は燃料電池やセンサー、触媒に応用可能なセラミック材料である。しかし、燃料電池の電解質として実用化するには高いイオン伝導度を示す材料の発見が必要となる。そこで、六方ペロブスカイト関連酸化物であり、本質的な酸素欠損層を持つBa7Nb4MoO20系材料に注目して研究を行った。Ba7Nb4MoO20のNbとMo比を変えた組成Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2を合成し、電気的特性の評価をし、最も伝導度の高いBa7Nb3.8Mo1.2O20.1を発見した。Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1は乾燥雰囲気下では306 oCで実用材料のYSZより175倍高いバルク伝導度を示す。また、湿潤雰囲気下でのバルク伝導度は326 oCで2.7 mS/cmであり、高いデュアルイオン（酸化物イオン＋プロトン）伝導度を示す。Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1について、中性子回折実験とリートベルト解析、最大エントロピー法によって中性子散乱長密度分布を計算し、本質的な酸素欠損層で格子酸素と格子間酸素による準格子間機構で酸化物イオンが拡散することが示された。(Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1)9の第一原理分子動力学シミュレーションによって、M2O9二量体、MO4四面体、MO5 多面体 (M = Nb, Mo)が生成・消滅することで酸化物イオンが移動するメカニズムであることが分かった。また、(Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1・0.1 H2O)9についても第一原理分子動力学シミュレーションを行い、プロトンは初期位置として本質的な酸素欠損層よりも酸素が最密充填した層に配置した時の方が平均二乗変位は大きく、酸素が最密充填した層の方がプロトンは動きやすいことが示唆された。以上の研究成果がChem. Mater.に掲載された。また、日刊工業新聞に掲載された。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Imperial College London
• [Int'l Joint Research] ANSTO/The University of Sydney(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: ANSTO/The University of Sydney
• [Journal Article] Hidden Chemical Order in Disordered Ba7Nb4MoO20 Revealed by Resonant X-Ray Diffraction and Solid-State NMR. (2023)
  • Author(s): Yasui, Y.; Tansho, M.; Fujii, K.; Sakuda, Y.; Goto, A.; Ohki, S.; Mogami, Y.; Iijima, T.; Kobayashi, S.; Kawaguchi, S.; Osaka, K.; Ikeda, K.; Otomo, T.; Yashima, M.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 2337-2346
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37802-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dimer-Mediated Cooperative Mechanism of Ultrafast-Ion Conduction in Hexagonal Perovskite-Related Oxides (2023)
  • Author(s): Sakuda, Y.; Murakami, T.; Avdeev, M.; Fujii, K.; Yasui, Y.; Hester, J. R.; Hagihala, M.; Ikeda, Y.; Nambu, Y.; Yashima, M.
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 35 Pages: 9774-9788
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c02378
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] パルミエライトと12Rペロブスカイト層から成るハイブリッド材料における高速ハイブリッドイオン伝導とそのメカニズム (2023)
  • Author(s): 作田祐一, 村上泰斗, 藤井孝太郎, 安井雄太, 萩原雅人, James R. Hester, Maxim Avdeev, 八島正知
  • Organizer: 日本セラミックス協会第36回秋季秋季シンポジウム
• [Presentation] 中性子回折実験による六方ペロブスカイト関連酸化物Ba7Nb4MoO20系材料の結晶構造とイオン伝導メカニズム (2023)
  • Author(s): 作田祐一, 村上泰斗, Maxim Avdeev, 藤井孝太郎, 安井雄太, James R. Hester, 萩原雅人, 池田陽一, 南部雄亮, 八島正知
  • Organizer: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ 第15回 MLFシンポジウム, 第41回PFシンポジウム