ドーピングによるDion‐Jacobson型酸化物のイオン伝導度向上

• 研究課題/領域番号: 21K20483
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0401:材料工学、化学工学およびその関連分野
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 張 文鋭 東京工業大学, 理学院, 特任助教 (20911853)
• 研究期間 (年度): 2021-08-30 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: イオン伝導体 / 結晶構造 / 固体酸化物方燃料電池 / 固体電解質 / 中性子回折 / 燃料電池 / 構造解析 / 固体酸化物形燃料電池

研究開始時の研究の概要

酸化物イオン伝導体は、固体酸化物形燃料電池SOFC、酸素分離膜およびガスセンサーなどに幅広く応用できる材料である。昨年、申請者は独創した新コンセプトを活用し、最高クラスの酸化物イオン伝導体CsBi2Ti2NbO10-δを発見した。本研究課題ではCsBi2Ti2NbO10-δの3価のBiの一部を2価のアルカリ土類金属で置換することとTiとNbの占有率を変更することにより、酸化物イオン伝導度向上することを狙う。具体的には、新材料CsBi2-xMxTi2+yNb1-yO10-x/2-y/2に着目して、新規物質合成・電気物性評価・結晶構造解析という３つの視点で研究を進められる。

研究成果の概要

ドーピングしたDion‐Jacobson型酸化物CsBi2-xMxTi2Nb10-x/2 (M =Mg, Ca, Sr, Ba; x =0.1, 0.2)とCsBi2Ti2-xNb1+xO10+x/2 (x = 0.1, 0.2, -0.1 and -0.2）を合成し、結晶構造、電気的性質、イオン拡散経路などを調べた。10％Srドーピングした組成は一番高い伝導度を示した。伝導度向上の理由を、イオンサイズ、キャリア濃度などの観点から説明できた。高い酸化物イオン伝導度を示す新型酸化物イオン伝導体の発見により,Dion-Jacobson型酸化物イオン伝導体という研究分野が生まれると考えられる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高い酸化物イオン伝導度を示す新型酸化物イオン伝導体の発見により、Dion-Jacobson型酸化物イオン伝導体という研究分野が生まれると考えられる。また、新たな応用に向けた道を切り開くと期待でき、学術的に意義深い。また、本研究は固体酸化物形燃料電池や酸素濃縮器の高性能化や、新しい酸化物イオン伝導体や電子材料の開発を促進すると考えられ、社会的にも意義深い。

研究成果

• [雑誌論文] Recent developments in oxide ion conductors: focusing on Dion‐Jacobson phases (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Wenrui、Yashima Masatomo
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 59 号: 2 ページ: 134-152
  • DOI: 10.1039/d2cc05288a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved oxide-ion conductivity by substitution of Sr for Bi in Dion-Jacobson phase CsBi2Ti2NbO10 (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang Wenrui、Yashima Masatomo
  • 雑誌名: Ceramics International 巻: 48 号: 12 ページ: 16522-16528
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.02.059
  • 査読あり
• [学会発表] 新規イオン伝導体の中性子回折・散乱を用いた構造科学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤井孝太郎，張文鋭，安井雄太，作田祐一，斎藤馨，八島正知，鳥居周輝，齊藤高志，森一広，神山崇，池田一貴，大友 季哉，大原高志
  • 学会等名: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] スクリーニングによる新構造型酸化物イオン伝導体の発見と結晶構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松崎 航平, 齊藤馨, 藤井孝太郎, 張文鋭, 八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2023年年会
• [学会発表] スクリーニングによる新構造型酸化物イオン伝導体の発見 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松崎 航平, 齊藤馨, 藤井孝太郎, 張文鋭, 八島正知
  • 学会等名: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] Dion-Jacobson 型層状ペロブスカイト酸化物におけるイオン伝導性とイオン拡散機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 張文鋭, 藤井孝太郎八島正知
  • 学会等名: 第82回固体イオニクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] New Oxide-ion Conductors of the Dion-Jacobson phases CsM2Ti2NbO10－δ (M = Bi, La) (2022)
  • 著者名/発表者名: Wenrui Zhang, Kotaro Fujii and Masatomo Yashima*
  • 学会等名: The Power of Interfaces 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Oxygen anionic conducting behavior in the Dion-Jacobson phase CsBi2Ti2NbO10-δ (2022)
  • 著者名/発表者名: Wenrui Zhang, Kotaro Fujii, Masatomo Yashima
  • 学会等名: International Core-to-Core Conference on Mixed Anion Research for Energy Conversion
  • 国際学会
• [学会発表] 新規酸化物イオン伝導体CsBi2Ti2NbO10-δ の発見とドーピングによるイオン伝導度の向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 張文鋭, 藤井孝太郎八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第35回秋季シンポジウム
• [学会発表] スクリーニングによるSbを含む新構造型酸化物イオン伝導体の発見と結晶構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松崎 航平, 齊藤馨, 藤井孝太郎, 張文鋭, 八島正知, 南部雄亮, 池田陽一
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第35回秋季シンポジウム
• [学会発表] 中性子回折・散乱を用いた新規イオン伝導体および複合アニオン材料の構造科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤井 孝太郎, 張 文鋭, 八島 正知, 鳥居 周輝, 齊藤 高志, 神山崇, 池田 一貴, 大友 季哉, 大原高志
  • 学会等名: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] Biを含む新構造型酸化物イオン伝導体の発見 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松崎 航平, 斎藤 馨, 藤井 孝太郎, 張 文鋭, 八島 正知
  • 学会等名: セラミックス協会2022年年会
• [学会発表] Dion-Jacobson型新物質の結晶構造と電気伝導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 神田橋治恵, 張文鋭, 村上泰斗, 藤井孝太郎, 八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] 新物質Ba2LuAlO5の発見とプロトン伝導性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森川里穂，村上泰斗，藤井孝太郎，張文鋭,，八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第37回関東支部研究発表会
• [学会発表] 高イオン伝導体Rb5N(MoO4)4およびRb5M(MoO4)4の発見 (2021)
  • 著者名/発表者名: 城島一暁, 安井雄太, 藤井孝太郎, 村上泰斗, 張文鋭, 八島正知
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] 新規イオン電池材料La1-xSrxO(1-x)/2F2のアニオン量制御による性能向上と結晶構造の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中真祐, 藤井孝太郎, 張文鋭, 日比野圭佑, 八島正知
  • 学会等名: 日本化学会 第11回CSJ化学フェスタ