2014 Fiscal Year Annual Research Report
ナノヘテロ界面制御に立脚する超酸素イオン伝導体の創出と革新的燃料電池
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24226016
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
石原 達己 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80184555)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
八島 正知 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (00239740)
萩原 英久 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30574793)
伊田 進太郎 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70404324)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノイオ二クス / 燃料電池 / エネルギー効率化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノサイズにおける混合伝導体や酸素イオン伝導体における異常な酸素拡散に立脚する各種機能材料の開発を目的として検討を行った。本年度は、基板に垂直に配列する、ダブルカラムナーと呼ぶ構造のナノコンポジット材料の作成と性能の評価を行った。その結果、Sm0.5Sr0.5CoO3とCe0.8Sm0.2O2のカラムナー構造の得られる条件を明確にしたのちに、積層を行うと、XRDでは２種類の酸化物からのピークのみ認められ、またSEM観察では、10nm前後のカラムナーから構成される薄膜を得ることができた。TEMによる詳細な構造観察から、界面が良好な原子レベルでの整合を有するダブルカラムナーの作成を行えた。界面にはCeO2側にはSm、SmCoO3側にはCoの配列が生じ、格子定数のずれを整合する構造になっていることが分かった。このバブルカラムナーSSC/SDC膜は良好な酸素の解離活性を有しており、酸素の表面交換係数が大きい値を示した。また、酸素の拡散も速いことから、ユニークな酸素の拡散挙動を示すことが明らかになった。
ダブルカラムナーを空気極に導入したセルを作成し、SOFC発電を行ったところ、空気極の過電圧を大きく低減でき、出力密度が高尿できることがわかった。とくに温度の低下ほど、PNCG/SSCのダブルカラムナー膜の導入効果が顕著になった。そこで、ダブルカラムナー構造は新しい３次元への活性点を拡張した機能電極として興味ある挙動を取ることが分かった。
触媒への展開を目的にSrFeO3上へのナノサイズのCeO2の表面修飾効果を検討した。種々の方法でCeO2の調製を検討し、尿素を用いて沈殿を作成するとSrFeO3の格子に接合したエピタキシャル成長した粒子の合成に成功し、表面への酸素の脱離が低温へシフトすることが分かった。
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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
本研究では、当初予定していたナノ膜厚の積層膜の伝導度の挙動について系統的な検討を行い、当初期待していたような伝導度の向上が、ナノ積層膜において観測され、この点は目標に対してほぼ順調に進捗をしている。一方で、ナノ積層膜では表面での酸素の解離活性が大きく向上できることを見出し、とくに低温においても酸素分子を解離できることは、新しい高活性電極を開発するうえで、重要な指針とすることのできる成果であり、予想以上の成果を得ることができた。この成果に基づいて、ナノ構造制御金属基板上にナノレベルのアノード酸化物膜を析出させたところ、従来の電極に比べて、過電圧が大きく低減できた。これは、従来、全く報告されていない、ナノイオ二クス効果なので、低温作動型SOFCの開発に向けて、新しい展開が期待できる。
一方、ナノ金属を分散して応力歪を導入しようとした系では、予想していたように、金属と混合伝導体の界面で、３次元の格子の膨張を達成でき、これによる酸化物イオン伝導性の向上を達成できたので、目的を達成することができ、ほぼ期待した成果が得られている。一方で、金属を分散した系では、表面へのAサイトカチオンの濃縮が抑制されるという興味ある現象が、報告されており、これは全く予想していなかった結果で、残りの２年間で、この現象に立脚した高耐久性電極触媒の開発を行う予定である。この成果も予想以上の成果であり、新しい触媒の分野への展開が行える成果と期待している。
また、低温作動型燃料電池の開発では、上記の効果を利用して、400℃でも0.17W/cm2を示すセルの開発を達成できており、これは目標を凌駕する成果である。
以上より、概ね研究は順調に展開しており、一部においては期待していた以上の成果が得られ、新しい展開が期待される状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）ナノシートの作成と積層法の検討：ナノシートのような化学的に処理して得られた単原子、単結晶に近いシートを積層できると、物理的な製膜方法とは異なるナノコンポジット膜の作成が期待できる。本研究ではp型とn型のナノシートが水中で異なるゼータ電位を有する点を利用して、異なる半導性を有するペロブスカイトナノシートを作成し、基板上に配列させる方法を確立し、イオン伝導の変化を検討する。
２）界面構造の詳細な構造解析とイオン拡散機構の解明：イオンのナノサイズ効果を明確にするには界面構造の構造解析は必要不可欠であり、本研究では引き続き、中性子回折法、量子計算シュミレーションやX線吸収スペクトル、TEM+EELS観察、固体NMRなどを併用して、検討を行い、ナノ領域で向上する酸化物イオン伝導との関係を明確にする。
３）ナノイオニクス材料の自動車触媒への展開：近年、格子酸素を利用した低温燃焼触媒への注目が高まっている。本研究で開発するナノコンポジット化材料では、格子酸素の拡散性が大きく向上することや表面での活性酸素を発生しやすくなることから、作成したナノコンポジットの粒子状物質酸化活性を評価する。粒径の影響を検討し、ナノ化による活性の向上を明確に示す。
4)３次元接合体の作成とイオンホール効果の測定:引き続き、イオンホール効果の計測にチャレンジする。大きな酸素イオン伝導性が向上できたと考えられる混合伝導体ナノ積層膜の計測へ次年度はチャレンジする。一方で、FIB加工技術を応用して、３次元で構造を制御したナノ接合体の創出を行い、電気的な性質の変化とイオン伝導性の変化を検討する。
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Research Products
(19 results)
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[Journal Article] Structural Origin of the Anisotropic and Isotropic Thermal Expansion of K2NiF4-Type LaSrAlO4 and Sr2TiO42015
Author(s)
K. Kawamura, M. Yashima, K. Fujii, K. Omoto, K. Hibino, S. Yamada, J.R. Hester, M. Avdeev, P. Miao, S. Torii, T. Kamiyama
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Journal Title
Inorg. Chem
Volume: 54
Pages: 3896-3904
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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