| 研究課題/領域番号 |
20K05085
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26020:無機材料および物性関連
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| 研究機関 | 宇都宮大学 |
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研究代表者 |
単 躍進 宇都宮大学, 工学部, 教授 (20272221)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | 酸化物イオン伝導 / ６価陽イオンによる５価ニオブの置換 / シーライト型構造 / 希土類ニオブ酸塩 / 構造相転移 / 酸化物イオン伝導体 / 格子間酸化物イオン / シーライト構造 / フェルグソナイト構造 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は，希土類ニオブ酸塩LnNbO4 (Ln:希土類)中の5価Nbを6価のM (M= W, Mo, Te)イオンで置換し，高温シーライト相を低温(室温)に安定化させ，それと同時に格子間酸化物イオンを導入し，新規高酸化物イオン伝導体を開発することを目的である。異なる希土類試料(Ln(Nb, M)O4 (Ln:希土類))において，Mイオンの置換量と室温シーライト相の生成度合，余剰酸素量と酸化物イオン伝導性の相関，さらに，導入された格子間酸化物イオンの位置，移動経路などを明らかにし，新たな高酸化物イオン伝導体の発見に繋ぐ。
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| 研究実績の概要 |
2021年度に続き，当初の計画の高温酸素分圧制御可能な酸化物イオン伝導測定システムの代わりに，既存のインピーダンス測定装置の改良を進め，試料の固定・加熱，データ収集プログラムなどの修正を行なっていた。昨年度の研究を継続し，6価の陽イオンMo(VI)による5価のNb(V)の置換を行い，NdNb1-xMoxO4+σ(0≦x≦1.0)試料の合成を試み，得られた試料の結晶構造解析，相変化について調べた。また，NdNb0.6W0.4O4+δ試料の室温における中性子構造解析を行い，格子間酸素の位置の検討を行った。その他に，W 置換で得られた知見を整理し，SSI23の国際学会でにこと発表や，専門誌への投稿を行なった。今年度の研究で以下のことを明確にした。
１）室温でフェルグソナイト型構造を有するNdNbO4中の5価のNbをよりイオン半径の小さい6価のMoで置換すると格子定数，単位胞体積が増加し，W置換試料と同様に格子間に酸素が導入されて伝導キャリアとなることを示唆された。x > 0.2では格子定数aとcが一つになり，正方晶系のシーライト構造となるが，x=0.5の試料にはシーライト相にNd5Mo3O16の不純物相が現れている。NdNb0.8Mo0.2O4.1は800 ℃において5.1×10-3 S cm-1の伝導率を示し，未置換試料の伝導率(1.5×10-5 S cm-1)より約300倍に大きくなり，W 置換試料より良いイオン伝導性を示す傾向があった。
２）格子間酸素の位置を特定するためにNdNb0.6W0.4O4.25について中性子回折測定を行った。同様な室温で正方晶系のシーライト構造であるPb0.8La0.2WO4.1の中性子回折結果を参照に解析を行ったが，収束できなかった。また，16fサイトの(0.38, 0.23, 0.175)と(0.35, -0.02, 0.265)で解析してみたが，発散はしなかったが，理想な結果（解析の完了）にはなっていなかった。つまり，格子間酸素の位置の特定ができなかった。酸化物イオン伝導性を示す温度における中性子構造解析を試してみる必要があると思っている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
今年度に予定していたMo置換試料の合成と得られた物質の結晶構造変化の解析，中性子構造解析による格子間酸素位置の特定を行なっていた。その他に，“3年目では今までの研究成果をまとめて発信を努める”という目標についても，国際学会(SSI-23)での成果発表と論文投稿など，概ね予定通りに進めていた。しかし，当初計画している酸素分圧制御可能な酸化物イオン伝導測定システムは，コロナ禍の影響と物価の高騰によって，今年度で構築不可能なことが判明した。既存のインピーダンス測定装置の改良を取り込み，より簡便でかつ高い温度における測定が可能であることを目指す。可能な限り，最大限にLnNb1-xMxO4+δ(Ln＝希土類，M＝W, Mo)系の酸化物イオン伝導のパフォーマンスを発揮させて，置換による伝導キャリアの格子間酸素位置を定める予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究の目標である置換による室温シーライト相の生成過程の解明，また余剰酸素量と酸化物イオン伝導性の相関の検討に直接関係あると考えられている。以下のことを中心に研究を進める。
１）WやMoによるNb置換のネジウムニオブ酸塩の中性子構造解析を行い，試料中の過剰酸素の位置を突き止める。令和4年度の中性子構造解析の経験を生かして，高温，並びにいくつかの温度における中性子構造解析を行い，過剰酸素とNb，W（またはMo）の配位関係を解明し，結晶構造とイオン伝導性の関連を明らかにし，W（またはMo）の置換による相転移のメカニズムを究明する。
２）WやMoまたは他の６価の陽イオンによるNbの置換試料の合成を行い，系統的に希土類ニオブ酸塩の結晶構造とイオン伝導性を評価する。
３）新たな研究成果をまとめて発信に努める。
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