2016 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of highly proton-conducting oxides via direct synthesis under humid and low-temperature conditions
| Project/Area Number |
26820290
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Materials Science |
|---|
Principal Investigator |
三好 正悟 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主任研究員 (30398094)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | セラミックス / ペロブスカイト / プロトン伝導 / 低温合成 / 燃料電池 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，酸化物に溶解するプロトン・水は低温で安定化するという熱力学的原理に基づき，低温合成による高濃度プロトン導入を利用した高プロトン伝導性実現のための新しい設計指針を提案するものである．
前年度までに，アクセプターとプロトンの間に働く相互作用に着目し，BaZrO3におけるプロトン伝導度とY3+ドープ量の関係を精密に検討した．その結果，ドープ量とともに移動度が向上するように観察され，一方で活性化エネルギーは低下する傾向を示すことから，プロトン伝導がパーコレーション機構に従うことが示唆された．すなわち，プロトンはY3+に束縛される傾向にあり，Y3+が希薄な組成ではBaZrO3マトリックスを伝導する際の大きな輸送抵抗の影響を強く受けるが，Y3+濃度が高い組成ではY3+を中心とする伝導性クラスターが近接するために見かけの移動度が向上すると考えられる．さらに，BaZrO3のZrサイトに遷移元素をドープした際のホール伝導度とドーパント濃度の関係を検討した結果から，ドーパントのイオン半径により定まる局所構造がイオン/電子キャリアのドーパントへの局在の程度とパーコレーション挙動を支配する因子であり，イオン半径の小さいドーパントにより導入されるキャリアは強く束縛される傾向にあることが示された．また，最終年度においてはPrをドープしたBaZrO3をモデル系として欠陥化学に基づくプロトン溶解特性・伝導特性を明らかにし，高濃度プロトン導入とパーコレーションに基づく設計指針の基盤を与えた．
以上から，アクセプタードーパントを高濃度に添加することは，単にプロトンを高濃度に導入するだけでなく，プロトンの巨視的な移動度を向上させることにも寄与すると考えられ，その影響はイオン半径の小さいアクセプターをドープした場合に特に顕著に現れるという，高濃度プロトン導入に基づく高プロトン伝導性実現のための重要な指針が得られた．
|
