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

• 研究課題/領域番号: 24226016
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 石原 達己 九州大学, 工学研究院, 教授 (80184555)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2012-05-31 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 201,110千円 (直接経費: 154,700千円、間接経費: 46,410千円); 2016年度: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円); 2015年度: 16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円); 2014年度: 15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円); 2013年度: 76,700千円 (直接経費: 59,000千円、間接経費: 17,700千円); 2012年度: 76,700千円 (直接経費: 59,000千円、間接経費: 17,700千円)
• キーワード: ナノイオニクス / 燃料電池 / エネルギー効率化 / ナノイオ二クス / ナノ材料 / イオン伝導体 / ナノサイズ効果 / 界面

研究成果の概要

異なる格子を接合すると、格子の緩和現象で、バルクとは異なり、イオンが移動しやすくなる現象が注目されている。本研究ではナノサイズの薄膜を積層した薄膜において格子定数の違いを利用して引っ張り応力を発生させたPr2NiO4/CeO2系酸化物が、酸素イオン伝導性が大きく向上することを明らかにするとともに、ナノサイズのカラムナー状の薄膜で酸素の解離活性が向上できること、およびAuを分散させたPr2NiO4系酸化物で酸素イオン伝導性が向上することを見出した。本研究により引っ張り応力が酸素イオン伝導と表面触媒性能に大きな正の効果をもたらすことを示した。

評価記号

検証結果 (区分)

A

研究成果

• [雑誌論文] Effects of three-dimensional mechano-chemical tensile strain on fast oxygen diffusion in Au-dispersed Pr1.90Ni0.71Cu0.24Ga0.05O4+δ (2016)
  • 著者名/発表者名: Junji Hyodo, Ken Tominaga, Shintaro Ida and Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry 巻: 4 号: 10 ページ: 3844-3849
  • DOI: 10.1039/c5ta08029k
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ce0.6Mn0.3Fe0.1O2-δ as an Alternative Cathode Material for High Temperature Steam Electrolysis Using LaGaO3-based Oxide Electrolyte (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hosoi, Takaaki Sakai, Shintaro Ida, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Electrochimica Acta 巻: 194 ページ: 473-479
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2016.02.121
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Solid-oxide Fe-air rechargeable battery using Fe-Ce(Mn,Fe)O2 for low temperature operation (2016)
  • 著者名/発表者名: Hack Ho Kim, Atsushi Inoishi, Shintaro Ida and Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 4 号: 15 ページ: 5482-5488
  • DOI: 10.1039/c5ta10675c
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Microtubular SOFC using doped LaGaO3 electrolyte film prepared with dip coating method (2015)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hosoi, Jong-Eun Hong, Takaaki Sakai, Shintaro Ida, and Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 123 ページ: 182-186
  • NAID: 130005064016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Ce0.6Mn0.3Fe0.1O2-δ Interlayer on Electrochemical Properties of Microtubular SOFC Using Doped LaGaO3 Electrolyte (2015)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hosoi, Takaaki Sakai, Shintaro Ida, and Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of The Electrochemical Society 巻: 162 号: 12 ページ: F1379-F1383
  • DOI: 10.1149/2.0681512jes
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ni-Fe-La(Sr)Fe(Mn)O3 as a New Active Cermet Cathode for Intermediate-Temperature CO2 Electrolysis Using a LaGaO3-Based Electrolyte (2015)
  • 著者名/発表者名: Shijing Wang, Hidekazu Tsuruta, Minoru Asanuma and Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 5 号: 2
  • DOI: 10.1002/aenm.201401003
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bi doped Pr6O11 as fluorite oxide cathode for all-fluorite solid oxide fuel cells (2015)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara, Jing Xie, Tae Ho Shin, Young-Wan Ju, Shintaro Ida and John A. Kilner
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 275 ページ: 167-174
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.10.159
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of Three-Dimensional Strain on Electric Conductivity in Au-Dispersed Pr1.90Ni0.71Cu0.24Ga0.05O4+δ (2015)
  • 著者名/発表者名: Junji Hyodo, Ken Tominaga, Jong-Eun Hong, Shintaro Ida, and Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 119 号: 1 ページ: 5-13
  • DOI: 10.1021/jp504220y
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A dense La(Sr)Fe(Mn)O3-δ nano-film anode for intermediate-temperature solid oxide fuel cells (2015)
  • 著者名/発表者名: Young-Wan Ju, Junji Hyodo, Atsushi Inoishi, Shintaro Ida and Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 3 号: 7 ページ: 3586-3593
  • DOI: 10.1039/c4ta05664g
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Intermediate Temperature CO₂ Electrolysis by Using La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃ Oxide Ion Conductor (2015)
  • 著者名/発表者名: Shijing Wang, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 巻: 55 号: 2 ページ: 381-386
  • DOI: 10.2355/isijinternational.55.381
  • NAID: 130004734568
  • ISSN: 0915-1559, 1347-5460
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural Origin of the Anisotropic and Isotropic Thermal Expansion of K2NiF4-Type LaSrAlO4 and Sr2TiO4 (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Kawamura, M. Yashima, K. Fujii, K. Omoto, K. Hibino, S. Yamada, J.R. Hester, M. Avdeev, P. Miao, S. Torii, T. Kamiyama
  • 雑誌名: Inorg. Chem 巻: 54 号: 8 ページ: 3896-3904
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.5b00102
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Improved cycle stability of Fe-air solid state oxide rechargeable battery using LaGaO3-based oxide ion conductor (2014)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Inoishi, Takaaki Sakai, Young Wan Ju, Shintaro Ida, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 262 ページ: 310-315
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.03.125
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Increased Oxide Ion Diffusivity and Surface Exchange on Pr2NiO4 Base Oxide by Au Dispersion (2014)
  • 著者名/発表者名: Junji Hyodo, Ken Tominaga, Young Wan Ju, Shintaro Ida, T. Ishihara
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 61 号: 1 ページ: 123-129
  • DOI: 10.1149/06101.0123ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ce(Mn,Fe)O2 dense film deposited on LaGaO3 electrolyte for dense anode of solid oxide fuel cells (2014)
  • 著者名/発表者名: Young-Wan Ju, Junji Hyodo, Atsushi Inoishi, Shintaro Ida, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 39 号: 35 ページ: 20777-20782
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.06.115
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Double Columnar Structure with a Nanogradient Composite for Increased Oxygen Diffusivity and Reduction Activity (2014)
  • 著者名/発表者名: Young-Wan Ju, Junji Hyodo, Atsushi Inoishi, Shintaro Ida, Tetsuya Tohei, Yeong-Gi So, Yuichi Ikuhara and Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 4 号: 17
  • DOI: 10.1002/aenm.201400783
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface Termination and Subsurface Restructuring of Perovskite-based Solid Oxide Electrode Materials (2014)
  • 著者名/発表者名: John Druce, Helena Tellez, Monica Burriel, Matthew Sharp, Lydia Fawcett, Stuart N Cook, David McPhail, Tatsumi Ishihara, Hidde H. Brongersma and John A Kilner
  • 雑誌名: Energy & Environmental Science 巻: 7 号: 11 ページ: 3593-3599
  • DOI: 10.1039/c4ee01497a
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Ni/Fe ratio on the performance and stability of the Fe-air rechargeable battery using a La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3 electrolyte (2014)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Inoishi, Takaaki Sakai, Young-Wan Ju, Shintaro Ida, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 39 号: 36 ページ: 21352-21357
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.07.100
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Modification Effect of meso-Hexakis(pentafluorophenyl) [26]Hexaphyrin Aggregates on the Photocatalytic Water Splitting (2014)
  • 著者名/発表者名: Hidehisa Hagiwara, Motonori Watanabe, Takeshi Daio, Shintaro Ida and Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 50 号: 83 ページ: 12515-12518
  • DOI: 10.1039/c4cc05127k
  • 査読あり
• [雑誌論文] New Perovskite-Related Structure Family of Oxide-Ion Conducting Materials NdBaInO4 (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Fujii, Y. Esaki, K. Omoto, M. Yashima, A. Hoshikawa, T. Ishigaki and H. R. Hester
  • 雑誌名: Chem. Mater 巻: 26 号: 8 ページ: 2488-2491
  • DOI: 10.1021/cm500776x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical conductivity and oxygen diffusivity in Cu-and Ga-doped Pr2NiO4 (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Hodo, K. Tominaga, Y.W.Ju, S.Ida, T.Ishihara
  • 雑誌名: Solid State Ionics, 巻: 256 ページ: 5-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Ce(Mn,Fe)O2 dense nanofilm as an improved active anode for metal supported solid oxide fuel cells (2013)
  • 著者名/発表者名: Y.W. Ju, S.Ida, T.Ishihara
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 3 ページ: 10508-10515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxide ionic conductivity in Pr2Ni(Co, Ga)O4-Ce(Sm)O2 laminated film estimated with the Hebb-Wagner method. (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Hyodo, S.Ida, T.Ishihara
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: accepted
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved oxide ionic conductivity in Pr2Ni0.75Cu0.25Ga0.05O4+δ-Sm0.2Ce0.8O1.9(PNCG-SDC) layer by layer film (2013)
  • 著者名/発表者名: Junji Hyodo
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 230 ページ: 16-20
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2012.10.018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synergy effects of Pr1.91Ni0.71Cu0.24Ga0.05O4 and Ba0.5La0.5CoO3 composite on cathodic activity for intermediate temperature solid oxide fuel cells (2013)
  • 著者名/発表者名: Jing Xie
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 228 ページ: 229-236
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.11.089
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved electrical conductivity in Pr2Ni(Cu,Ga)O4 film with nano thickness (2012)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: International journal of hydrogen energy 巻: 37 号: 9 ページ: 8066-8072
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.12.026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of Ga3+ and Cu2+ in the High Interstitial Oxide-Ion Diffusivity of Pr2NiO4-based Oxides: Design Concept of Interstitial Ion Conductors through the Higher-Valence d10 Dopant and Jahn-Teller Effect (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Yashima
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 24 号: 21 ページ: 4100-4113
  • DOI: 10.1021/cm3021287
  • 査読あり
• [学会発表] 触媒修飾Fe粉末を用いる全固体鉄－空気2次電池の繰り返し特性向上 (2016)
  • 著者名/発表者名: 金学鎬, 伊田進太郎, 石原達己
  • 学会等名: 公益社団法人電気化学会第83回大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-03-29
• [学会発表] LaGaO3系電解質円筒型を用いる低温作動型可逆動作セルと鉄―空気電池 (2015)
  • 著者名/発表者名: 金学鎬, 伊田進太郎, 石原達己
  • 学会等名: 第24回SOFC研究発表会
  • 発表場所: 科学技術館サイエンスホール
  • 年月日: 2015-12-16
• [学会発表] 固体酸化物形燃料電池のための多孔質NiFe基板上における緻密CMF-LSFM薄膜アノード (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉海優, 萩原英久, 伊田進太郎, 石原達己
  • 学会等名: 第25回日本MRS年次大会
  • 発表場所: 横浜市開港記念会館他
  • 年月日: 2015-12-08
• [学会発表] Solid-oxide Fe-air rechargeable battery using Fe-Ce(Mn,Fe)O2 for low temperature operation (2015)
  • 著者名/発表者名: Hackho Kim, Atsushi Inoishi, Shintaro Ida and Tatsumi Ishihara
  • 学会等名: The 3rd International Conference on Advanced Electromaterials (ICAE2015)
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2015-11-17
  • 国際学会
• [学会発表] Feへの添加物による全固体鉄―空気電池の充放電特性向上 (2015)
  • 著者名/発表者名: 金学鎬, 伊田進太郎, 石原達己
  • 学会等名: 第56回電池討論会
  • 発表場所: 愛知県産業労働センター ウインクあいち
  • 年月日: 2015-11-11
• [学会発表] FeへのCe0.6Mn0.3Fe0.1O2(CMF)添加による全固体鉄―空気電池における繰り返し特性向上 (2015)
  • 著者名/発表者名: 金学鎬, 猪石篤, 伊田進太郎, 石原達己
  • 学会等名: 2015年電気化学秋季大会
  • 発表場所: 埼玉工業大学
  • 年月日: 2015-09-11
• [学会発表] Oxygen Nonstoichiometry and Cathodic Property of Ce0.6Mn0.3Fe0.1O2 for High Temperature Steam Electrolysis Cell Using LaGaO3-Based Oxide Electrolyte (2015)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hosoi, Takaaki Sakai, Shintaro Ida, and Tatsumi Ishihara
  • 学会等名: ECS Conference on Electrochemical Energy Conversion & Storage with SOFC-XIV
  • 発表場所: Glasgow, Scotland
  • 年月日: 2015-07-26
  • 国際学会
• [学会発表] Solid state Fe-air rechargeable battery using LaGaO3 based electrolyte (2015)
  • 著者名/発表者名: Hackho Kim, Atsushi Inoishi, Shintaro Ida, Tatsumi Ishihara
  • 学会等名: 第52回化学関連支部合同九州大会
  • 発表場所: 北九州国際会議場
  • 年月日: 2015-06-27
• [学会発表] Electrical and Oxide Ionic Conductivity in Metal Disparsed Pr2NiO4-Based Oxides (2015)
  • 著者名/発表者名: Junji Hyodo, Shintaro Ida and Tatsumi Ishihara
  • 学会等名: 20th International Conference on Solid State Ionics (SSI-20)
  • 発表場所: Colorado, USA
  • 年月日: 2015-06-14
  • 国際学会
• [学会発表] Dopant effects on La0.4Ce0.6O2 sintering temperature for anode supported Solid Oxide Fuel Cells using LaGaO3 electrolyte (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Hosoi, J. Hong, S. Ida, T. Ishihara
  • 学会等名: 39th International Conference and Exposition on Advanced Ceramics and Composites
  • 発表場所: Datona Beach, Florida, USA
  • 年月日: 2015-01-25 – 2015-01-30
  • 招待講演
• [学会発表] LaFeO3-based Perovskite Oxide Fuel Electrode for Solid State Electrolyzer (2014)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara, Shijing Wang, and Kohei Hosoi
  • 学会等名: Chemeca 14 - Processing Excellence; Powering Our Future
  • 発表場所: Perth, Western Australia
  • 年月日: 2014-09-28 – 2014-10-01
  • 招待講演
• [学会発表] Nano structure control for High Power Solid Oxide Fuel Cells (2014)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara
  • 学会等名: UNIST BK21+ 2nd International Symposium Materials on Demand for Energy
  • 発表場所: Ulsan, Korea
  • 年月日: 2014-08-20 – 2014-08-21
  • 招待講演
• [学会発表] Increased Oxide Ion Diffusivity and Surface Exchange on Pr2NiO4 Base Oxide by Au Dispersion (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Ishihara, J. Hyodo, K. Tominaga, Y. W. Ju, S. Ida
  • 学会等名: 225th ECS Meeting
  • 発表場所: Orlando, USA
  • 年月日: 2014-05-11 – 2014-05-15
  • 招待講演
• [学会発表] Solid Oxide Fe-Air Battery Using LaGaO3 Based Oxide (2014)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara, Atsushi Inoishi, Shintaro Ida
  • 学会等名: 2014 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 発表場所: San Francisco, California
  • 年月日: 2014-04-21 – 2014-04-25
  • 招待講演
• [学会発表] Computational Studies on Ionic and Electronic Conduction of Rare Erath Based Oxide on Density Functional Theory (2013)
  • 著者名/発表者名: M.Sakaue, H.Kasai, T.Ishihara
  • 学会等名: 13th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells
  • 発表場所: Okonawa
  • 招待講演
• [学会発表] La(Sr)Fe(Mn)O3 Thin Film Anode for Improving Power Generating Propeerty with Enhancing Electric Conductivity and Oxidation Activity (2013)
  • 著者名/発表者名: Y.W.Ju, S.Ida, T.Ishihara
  • 学会等名: 13th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells
  • 発表場所: Okinawa
  • 招待講演
• [学会発表] HIGH POWER DENSITY SOLID OXIDE FUEL CELLS USING LaGaO3 PEROSKITE OXIDE THIN FILM PREPARED BY PLD METHOD (2012)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara
  • 学会等名: The 13th Asian Conference on Solid State Ionics IONICS for sustainable world
  • 発表場所: Sendai
  • 招待講演
• [学会発表] Nano Size Effects of CeO2 on Particulate Matter Oxidation of Pr4.8Bi1.2O11 (2012)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara
  • 学会等名: 8th Internaional Conference On F-ELEMENTS
  • 発表場所: Yujin
  • 招待講演
• [学会発表] Electric Conductivity in Cu- and Ga-Doped Pr2NiO4 Nano Film Laminated with Sm-Doped CeO2 (2012)
  • 著者名/発表者名: Jungi. Hyodo
  • 学会等名: 222nd ECS Meeting
  • 発表場所: Hawaii