| 研究課題/領域番号 |
15H02291
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
八島 正知 東京工業大学, 理学院, 教授 (00239740)
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| 研究分担者 |
石原 達己 九州大学, 工学研究院, 教授 (80184555)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | イオン伝導体 |
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| 研究実績の概要 |
エネルギー環境分野の技術革新には新しいイオン伝導体の探索と発見が必要である。イオン伝導体として過去に検討されてこなかった構造ファミリー(グループ)の物質群について、結晶格子中をイオンが移動できる経路が存在するか否かを、結合原子価の総和(BVS: Bond Valence Sum)図あるいはエネルギー図により検討した．ここで結合原子価とは，凝縮体中の各結合に割り当てられる原子価であり，酸化物イオンの結合原子価の総和が2に近ければ，酸化物イオンが安定であることを示す．我々は，この結合原子価法により酸化ランタン-酸化ストロンチウム-酸化ガリウム系における様々な化合物の差BVS図を計算し，イオン拡散経路を形成する化合物LaSr2Ga11O20を見出した．合成したLaSr2Ga11O20は単斜晶系で空間群がI2/mであるPb3GeAl10O20型構造を有することをX線粉末回折法により確認した．リートベルト解析の結果，LaSr2Ga11O20の結晶構造はGaO6八面体とGaO4四面体およびLaイオンとSrイオンから構成されていることがわかった．合成したLaSr2Ga11O20の電気伝導度は温度の増加と共に増加した．LaSr2Ga11O20の電気伝導度は酸素分圧に依らず一定であることから，酸化物イオンが支配的な伝導種であることが強く示唆される．このように，Pb3GeAl10O20型LaSr2Ga11O20が，酸化物イオン伝導性を示す新しい構造ファミリーであることが実験で示された．また，LaとSrの組成比を変えることで酸素空孔を導入し，イオン伝導度の増加を狙った．La1-xSr2+xGa11O20-x/2のSr濃度がx=0.01，0.02，0.05，0.1，0.15，0.2，0.25となるように合成を行った．Sr濃度x=0.01，0.02の組成では，基本物質LaSr2Ga11O20と同じ回折パターンがみられ，単一の単斜相が生成したことを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
交付申請書に記した実施計画，「イオン伝導が報告されていない基本物質について結合原子価に基づいたエネルギー図を計算する．具体的には最初にGaを含む系であるLa2O3-Ga2O3-SrO系を選択して約20種類の化合物LaxSryGazOwの結合原子価の総和図を計算し、エネルギーが低い経路が格子を横切って連結するか否か、すなわちボトルネックが広いかどうかを調べる．経路が連結した物質群を実際に固相法により合成し、電気伝導度の温度依存性および酸素分圧依存性を調べる。合成した試料をX線回折(XRD)、ICP元素分析などで化学組成と結晶相を調べ、単相ができているかどうか確認する．XRDデータのリートベルト解析で結晶相と不純物を精査、格子定数と陽イオンの位置を決定する．生成相の評価にはX線回折を用いる．」を実際に実行しており，当初の計画通り順調にプロジェクトが進展している．その結果，イオン拡散経路を形成する化合物LaSr2Ga11O20を見出した．合成したLaSr2Ga11O20は単斜晶系で空間群がI2/mであるPb3GeAl10O20型構造を有することをX線粉末回折法により確認した．リートベルト解析の結果，LaSr2Ga11O20の結晶構造はGaO6八面体とGaO4四面体およびLaイオンとSrイオンから構成されていることがわかった．合成したLaSr2Ga11O20の電気伝導度は温度の増加と共に増加した．LaSr2Ga11O20の電気伝導度は酸素分圧に依らず一定であることから，酸化物イオンが支配的な伝導種であることが強く示唆される．以上の様に，イオン伝導体の新構造ファミリーも発見され，新しい組成の探索も進めており，プロジェクトは順調に進展している．
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| 今後の研究の推進方策 |
イオン伝導が報告されていない基本物質について結合原子価に基づいたエネルギー図を計算する．具体的には最初にInや希土類を含む系を選択して結合原子価の総和図を計算し，エネルギーが低い経路が格子を横切って連結するか否か、すなわちボトルネックが広いかどうかを調べる．経路が連結した物質群を実際に固相法により合成し、電気伝導度の温度依存性および酸素分圧依存性を調べる．合成した試料をX線回折(XRD)，ICP元素分析などで化学組成と結晶相を調べ，単相ができているかどうか確認する．できない場合には、焼成温度と時間と冷却速度を工夫するXRDデータのリートベルト解析で結晶相と不純物を精査、格子定数と陽イオンの位置を決定する．生成相の評価にはX線回折を用いる．イオン伝導性あるいは電気伝導性が確認されれば、化学組成を変えたサンプルを多数合成、電気伝導度を測定して高いイオン伝導度を示す新物質を探索する．イオン伝導度が高い組成の試料について室温から高温まで中性子回折および放射光X線回折実験により結晶構造とイオン伝導経路を実験で調べて、結晶構造とイオン伝導度の関係を明らかにする．昨年見出したイオン伝導性新構造ファミリーについて組成を調整し，新たなイオン伝導体を探索する．また，2015年度にPb3GeAl10O20型LaSr2Ga11O20が，酸化物イオン伝導性を示す新しい構造ファミリーであることを発見したので， LaSr2Ga11O20を基本組成とする様々な組成の合成を行い，電気伝導度と結晶構造を評価する．
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